过渡金属微纳材料结构调控及超级电容器性能研究

发布时间：2020-05-10 09:47

【摘要】：超级电容器作为一种新型储能器件,由于其兼具快速的充放电效率、优异的循环性能和较高的功率密度,能满足市场对储能器件的广泛要求,被认为存在巨大的发展潜力。电极材料作为超级电容器的核心组成部分,其化学组成和结构形貌直接决定着整个元件的性能表现。本文将选取较常见的镍基、锰基和钴基化合物作为研究对象,基于小尺寸效应、表面效应和协同效应,分别从电极材料的结构排布、自身的结构特征和内部结构属性三个方面,探究了电极材料与电化学性能之间的构-效关系,从而为研制新型高性能的过渡金属基电极材料提供理论基础。主要内容如下:1.首先,探究电极材料排布结构即材料粒径的均一性对电化学性能的影响。利用柠檬酸根的盖帽试剂的作用控制得到具有不同粒径均匀程度的碳酸氢镍纳米晶体。在构筑电极时,均一粒径的碳酸氢镍晶体堆积形成多孔的结构能够提供更大的空间和更高的比表面积,而非均匀粒子堆积构筑成电极时易形成‘死空间’,抑制了离子和电子的传输。因此,粒径更为均匀的碳酸氢镍纳米晶体表现出了更优异的电容性能(在2 A/g时,比容量为1596 F/g)、较高的倍率性能(30 A/g时,容量保持率为75%)和卓越的循环稳定性(1000圈充放循环后容量保持率仍能达到80%)。2.探究电极材料自身的结构对电化学性能的影响。选取氢氧化镍作为研究对象,利用添加剂的调控作用,使其具有不同薄厚(2D)结构。由于较薄的片层结构不仅具有较大比表面积,而且暴露了更多的氧化还原活性位点,缩短离子传输路径,降低电子传输速率。因此,表现出更为高的比容量在1 A/g的电流密度下达到了2300 F/g,高的倍率性能在30 A/g时比容量仍能达到1800 F/g左右,容量保持率达到77%。3.研究电极材料内部结构变化与电化学性能改变之间的规律,深入探究二者之间的构-效关系。随着钴离子掺入浓度的改变,锰钴元素在样品中的价态呈现出规律性变化,主要分为三个晶相,而不同的晶相中不同的价态占比直接影响了其晶体结构,造成形貌结构的改变。因此,样品的电化学性能也呈现出规律性的变化,当钴离子掺入浓度为60%时,样品表现出了最优异的电容性能,其在电流密度为0.2 A/g的比电容达到了308 F/g;当掺入浓度处于50%-70%之间时,样品循环稳定性更为优异,在电流密度为1 A/g经过10000充放循环后,其容量保持率仍能达到90%以上。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB30

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