镍基水滑石材料纳米阵列的构筑及在电化学储能方面的应用

发布时间：2020-04-10 02:33

【摘要】：当今世界的能源需求主要是通过消耗化石燃料等资源而提供的,这导致了全球的生态问题,并对经济和社会产生了持久的不良影响。因此社会迫切需要开发高效、环保和高性价比的储能设备,以满足各个领域的能源需求。因此环保安全、低成本、高性能的超电容器件和电池对便携式电子产品以及电动汽车越来越重要。过渡金属类水滑石电极材料,作为层状材料的代表,由于具有较高的比电容量和能量密度且价格低廉、容易制备,近年来己成为碱性电池、超电容器等电极材料的研究热点。然而,在传统的超电容器件和电池中,正极通常由活性材料、粘合剂、导电添加剂等混合而成,这会导致离子和电子扩散效率低,从而影响电化学性能。而纳米阵列材料,比普通纳米材料具有更大的电化学活性比表面,并且活性材料和基底良好的接触使其具有更高的电导率。因此将活性材料通过纳米阵列的构筑,实现高性能的电极具有广泛的前景。电极材料的结构对于器件储能性能影响极大,因此应进一步探索和优化活性材料的结构和形貌。针对以上问题,本文将论述述如下:1、在温和条件下利用一步水热法合成镍钒水滑石纳米阵列材料,通过控制镍离子和钒离子不同的投料比,制备电化学性能最优的NiV-LDH阵列材料。对该阵列材料进行了结构表征,以及利用各种电化学测试方法研究材料的电化学储能性能。镍钒水滑石纳米阵列材料,应用于超电容储能电极研究在世界范围内属于首次报道。通过测试结果表明,NiV-LDH纳米阵列材料在1 Ag-1的电流密度下比电容值可达到2420 Fg-1,而在20 A g-1的大电流密度下,该阵列材料的比电容依然可以达到1066 Fg-1,大电流下的倍率特性44.5%,另外在20 A g-1的大电流密度下,循环2000次后容量保留约68%,这对于材料的实际应用有很大意义。由于特殊的结构优势使得NiV-LDH纳米阵列材料材料具有稳定α-Ni(OH)2的晶相的特性,实现材料优异的电化学储能性能。镍钒水滑石纳米阵列材料,是一种高性能且具有广泛应用前景的超级电容器电极材料。2、利用简单而有效的水热法,在多孔的泡沫镍上原位沉积生长多层级结构Co304@NiV-LDH纳米阵列材料,实现电极活性材料的高负载和提升电极面积比电容量。对该阵列材料进行了结构表征,以及研究材料的电化学性能。这种新型的多级纳米阵列结构结合了大孔泡沫镍和核/壳纳米线阵列的优点,如有效提升电极材料电导率,提高比表面积,缩短了离子扩散和电子传输的路径。实验测试结果显示,该多层级结构Co304@NiV-LDH壳核纳米阵列材料,实现单位面积高载量(～11.1mg cm-2)、极高的面积比容量(1.98 mAh cm-2在5 mA cm-2电流密度下)、优异的倍率特性和循环性能(充放电循环测试1000次后未有容量衰减),应用于电池的正极具有极大前景。因此,将该多级纳米阵列材料与锌基负极搭建成一个新型的镍/钴-锌电池,经过电化学测试,该电池可以展现出优异的储能特性,高工作电压窗口(1.71 V)、较高的能量密度(高达2.2 mWh cm-2)和功率密度(高达82.0 mWcm-2)、良好的循环稳定性。该电化学性能的提高归因于独特的层次阵列结构和材料间的协同效应。这项工作良好定义阵列设计对于电化学储能器件的优化提供一种新的思路。
【图文】：

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ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ａｎｄ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ＾８１逡逑超电容器可以根据储能机理分为两类：（ｉ）双电层电容器（双电层电容器）逡逑（图１－２邋ａ），在电极和电解质之间的界面电荷分离，，如碳材料等；和（２）赝电容逡逑器（图ｌ－２ｂ），快速和可逆的氧化还原过程，在电极表面发生，如金属氧化物逡逑或导电聚合物＾１３］。各种过渡金属氧化物或氢氧化物，如二氧化锰、氧化镍、氧逡逑化钴、氢氧化镍、氢氧化钴等，己在储能系统作为电极材料进行了广泛的研究。逡逑与碳和导电聚合物相比，过渡金属氧化物或氢氧化物等赝电容材料可以实现更高逡逑的比容量。其中，过渡金属类水滑石（ＬＤＨｓ）材料，由于它们具有阴离子交换、逡逑可调性化学成分、较高的氧化还原活性和对环境友好，越来越引起研宄人员的重逡逑视［１４－１６］。例如ＮｉＡｌ－ＬＤＨ［１７］，邋ＮｉＣｏ－ＬＤＨ［１８］，邋ＮｉＭｎ－ＬＤＨ丨邋１９＿ＣｏＭｎ－ＬＤＨ丨２Ｇ］等材料逡逑也受到广泛的研宄

电容图,超电容器,双电层电容,电容

用率和界面的电子传输，展示出比普通材料更高的容量。而纳米阵列材料，比普逡逑通纳米材料具有更高的电导率，提供更多的材料体积空间，更大的比表面积［２１］。逡逑图１－３为纳米阵列材料典型的结构示意图。由于传统的纳米阵列材料负载量较低逡逑（一般低于５邋ｍｇ邋ｃｍ－２），当负载量太高会使得材料的利用率低下，反应过程中很逡逑容易使得活性材料失去活性，导致活性材料稳定性不好。针对以上问题，可以通逡逑过构建多层级纳米阵列结构电极，有文献报告这是一种有效的方法来实现高质量逡逑负载和提升活性材料的利用率，因为多层级纳米阵列结构可以提供较大的比表面逡逑积，更短的离子和更有效的电子扩散路径，并存在一个潜在的多组分的协同效应，逡逑从而实现更大的比容量，更优异的倍率特性以及循环稳定性［２２］。因此，多层级纳逡逑米阵列结构电极在电化学储能系统以及纳米领域的应用有必要进一步深入的研逡逑究。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM53

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