钴—镍—铁基功能纳米复合材料的制备及其超级电容器性能的研究

发布时间：2020-05-02 16:28

【摘要】：超级电容器(又称为电化学电容器)因其具有较高的功率密度、较好的倍率性能、快的充放电速率、高的循环稳定性、宽的温度适用范围和简单的制备方法而被广泛研究。超级电容器在能源储备系统、可移动电子设备、电动汽车和混合动力汽车等方面具有广泛的应用。根据公式E=1/2CV~2可得到,超级电容器的能量密度与单位电容量和电压窗口的平方成正比。因此,制备单位电容量高且电压窗口大的电极材料是提高超级电容器电化学性能的有效方法。本文采用钴、镍和铁元素为基础元素,制备了CoNiFe-LDH/CNFs纳米复合材料和NiFe-LDH/RGO/CNFs纳米复合材料,并采用XRD,XPS,FE-SEM,TEM,FT-IR,TGA,CV,GCD和EIS等方法对形貌、组成以及电化学性质进行了系统的研究,并将其应用在不对称超级电容器中。主要研究内容如下:(1)采用简单的原位复合法成功制备了CoNiFe-LDH/CNFs纳米复合材料。CoNiFe-LDH/CNFs纳米复合材料在1 A g~(-1)的电流密度下,单位电容量可达1203 F g~(-1)。鉴于复合材料的优异性能,我们以CoNiFe-LDH/CNFs纳米复合材料和活性炭分别作为正、负极材料组装成不对称超级电容器,在1 A g~(-1)时,其能量密度为30.2 W h kg~(-1),相对应的功率密度为800.1 W kg~(-1),是优良的超级电容器电极候选材料之一。(2)采用简单的原位复合法成功制备了NiFe-LDH/RGO/CNFs纳米复合材料。此外,我们采用相同的方法制备了NiFe-LDH/CNFs,NiFe-LDH/CNTs和NiFe-LDH/RGO纳米复合材料。我们发现NiFe-LDH/RGO/CNFs纳米复合材料在电流密度为1 A g~(-1)时的单位电容量为1330.2 F g~(-1),优于NiFe-LDH/CNFs,NiFe-LDH/CNTs和NiFe-LDH/RGO纳米复合材料。因此,我们以NiFe-LDH/RGO/CNFs纳米复合材料和活性炭分别作为正、负极材料组装成不对称超级电容器,在1 A g~(-1)时,其能量密度为33.7 W h kg~(-1),相应的功率密度为785.8 W kg~(-1)。当将两个不对称超级电容器和一个2 V的LED灯泡串联时,能点亮LED灯泡。这种电极材料具有优异的电化学性能,具有很好的应用前景。
【图文】：

电化学电容器,镍金属,铅酸电池,锂离子电池

第一章绪论1.1 引言随着全球经济的迅速发展、化石燃料的过度消耗和环境问题的不断恶化，人们迫切需要高效、清洁和可持续的能源。(Bai et al. 2017; Chen et al. 2017; Cheng et al. 2013)。清洁能源具有很多种形态，例如人们使用的太阳能、风能、氢能、核能以及生物能等。然而，在当今社会能源需要非常高、能源利用需要持续 24h 的情况下，这些清洁能源具有常规能源的间歇性而不能作为可持续能源(Azam et al. 2013)。值得关注的是，能量储存装置可以有效的储存来自可再生能源的电能，可以在不同地方重复使用(Shietal.2013)。因此，制造高性能的储能设备，如太阳能电池、燃料电池、锂电池和超级电容器，已成为一个重要的研究方向(Luetal.2017)。超级电容器因具有价格低廉、循环稳定性长、功率密度高和充放电效率快等优点(Wang et al. 2017); (Tang et al. 2012b); (Shao et al. 2012);(Shen et al. 2013)，已成为全球经济发展的新热点。

原理图,双电层电容器,原理图

图 1-2 双电层电容器原理图。Fig. 1-2 Mechanism of charge discharge process for EDLCs.容器常用的电极材料是碳材料，是通过静电电荷分离，，电解表面移动，在表面形成电荷层，主要依靠双电层效应完成能面发生非氧化还原反应，从电化学观点来看，这种电极属于完允许很快的能量存储和释放，具有较高的速率容量和循环稳如图 1-2 所示(Choi et al. 2012; Frackowiak 2007)。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】