镍钴硫化物的超电容行为研究

发布时间：2018-04-17 14:33

本文选题：超级电容器 + 共沉淀法　；参考：《扬州大学》2017年硕士论文

【摘要】：超级电容器又称为电化学电容器,因其具有比常规电容器优异的能量密度,比蓄电池高的功率密度,而受到人们的广泛关注。超级电容器具有的这些优势使其在备份能源系统、混合动力电车及便携式电子设备等领域得到了实际应用。众所周知,超级电容器的电容性能很大程度上取决于电活性材料的形貌及结构。由于硫元素的电负性比氧元素低,相比于过渡金属氧化物,过渡金属硫化物具有更为灵活的结构及更高的电导率。在众多的过渡金属硫化物中,Ni硫化物及Co硫化物因其理论比电容高、原料丰富、环境友好及安全等优势,有望满足超级电容器电极材料的储能需求。本研究工作中,首先,在一步共沉淀法制备NiS_2/CoS_2复合材料过程中,通过逐步增加Ni的含量,复合物的粒径尺寸逐渐变大,并且空心球结构更加明显。同时,通过控制Ni与Co的比例调节复合材料的电容性能。其次,以Ni(OH)_2·0.75H_20作为前驱体,合成微米花状的NiS。所得NiS微米花样品由纳米片组成,且具有比比前驱体更粗糙的比表面积及更高的电容性能。最后,通过牺牲模板法,考察不同硫化时间(分别为12、18及24h)对制得NiS微米花比表面积、表面粗糙度及电容性能的影响,进而得出硫化时间为18 h时样品有着最大的比表面积及最高的电容性能。本文研究内容及结论如下:(1)NiS_2/CoS_2复合物的制备及超电容行为研究。采用一步水热共沉淀法合成不同Ni Co摩尔比例的复合硫化物。随着Ni含量的增加,样品颗粒的尺寸逐渐增大,且空心球结构表现地越发明显。通过对样品进行电化学性能测试表明:NiCo复合硫化物具有高的比电容,优良的循环稳定性及倍率特性。尤其Ni/Co/S-1在1 A.g~(-1)时表现出了最大的比电容954.3 F·g~(-1),当电流密度增大至20 A·g~(-1)时比电容仍然达到309.5 F·g~(-1),在电流密度为5 A.g~(-1)的条件下恒流充放电(GCD)1000次之后仍然保留着99.9%的初始比电容。将Ni/Co/S-1与活性炭分别作为阳极与阴极,组装得到非对称超级电容器,在功率密度为0.7 kW·kg~(-1)时能量密度达到29.3 Wh·kg~(-1),1000次GCD之后仍然保留着99.1%的比电容。(2)分层微米花状NiS的制备及超电容行为研究。通过以Ni(OH)2前驱体,再对前驱体进一步硫化制得NiS。SEM分析结果表明,NiS是由分层纳米片组成的微米花状结构,硫化后的NiS表面比前驱体更加粗糙。电化学测试表明:NiS纳米片在3 M KOH电解液中表现出优异的电容性能(电流密度为1 A·g~(-1)时,比电容达到1122.7 F·g~(-1))以及高的循环稳定性(10 A·g~(-1)的电流密度下GCD 1000次后,电容保持率为97.8%)。以NiS作为阳极,活性炭作为阴极,组装成非对称超级电容器,在开路电压为1.8 V的前提下,功率密度为0.9 kW·kg~(-1)时,能量密度能达到31 Wh·kg~(-1)。(3)硫化时间对NiS结构及电容行为的影响。通过牺牲模板法,先制备微米花状的Ni(OH)2前驱体,并制备了不同硫化时间下制得了NiS。SEM分析结果显示,随着硫化时间的延长,NiS的形貌逐渐由微米花状向多孔球状过渡。硫化时间为18 h时,NiS-18具有最为粗糙的表面及最大的比表面积(20.5 m2·g~(-1))。电化学测试结果显示,NiS-18表现出了最高的比电容(在1 A·g~(-1)的电流密度下,比电容达到1315.4 F·g~(-1))及循环稳定性(在电流密度为10 A·g~(-1)的条件下GCD 5000次之后仍然保留着89.2%的初始比电容)。以NiS-18与活性炭分别作为阳极与阴极,组装成非对称超级电容器(NiS//AC)。NiS//AC在功率密度为0.8kW·kg~(-1)时,能量密度能达到33.4Wh·kg~(-1);在5A·g~(-1)的电流密度下进行5000次GCD测试,电容保持率达到了87.3%,库伦效率接近100%。
[Abstract]:In this study , Ni ( OH ) _ 2 路 0.75H _ 20 is used to prepare NiS _ 2 / cos _ 2 composite material . The results show that NiS nanosheets exhibit excellent capacitance performance ( current density of 1 A 路 g ~ ( -1 )) and high cyclic stability ( 10 A 路 g ~ ( -1 ) at a current density of 1 A 路 g ~ ( -1 ) . The results show that NiS - 18 has the highest specific surface area and the maximum specific surface area ( 20.5 m2 路 g ~ ( -1 )) at the current density of 1 A 路 g ~ ( -1 ) . The results of electrochemical test show that NiS - 18 has the highest specific surface area and the maximum specific surface area ( 20.5 m2 路 g ~ ( -1 )) . The results of electrochemical test show that NiS - 18 has the highest specific surface area ( 200.5 m2 路 g ~ ( -1 )) and the cycle stability ( 89.2 % initial specific capacitance after GCD 5000 times under the condition of current density of 10 A 路 g ~ ( -1 ) . NiS - 18 and activated carbon are respectively used as anode and cathode to assemble an asymmetric super capacitor ( NiS // AC ) . When the power density is 0.8kW 路 kg ~ ( -1 ) , the energy density can reach 33.4Wh 路 kg ~ ( -1 ) ; 5000 GCD tests are carried out at the current density of 5A 路 g ~ ( -1 ) , the capacitance retention rate reaches 87.3 % , and the coulombic efficiency is close to 100 % .

【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53;TB33

【参考文献】