钴镍双金属氧化物及其复合物的制备及电化学性能研究
发布时间：2020-08-20 13:49
【摘要】：超级电容器因其具有充放电速度快、能量密度适中、循环稳定性高和生产使用过程中对环境友好等优点,是目前新能源研究的重点。采用单一种类电极材料的超级电容器由于材料自身的缺点,在实际应用中受到各种制约;采用复合材料作为电极材料,可以结合单一材料的优势,显著改善实际的电化学性能。本文结合水热和煅烧法制备了钴镍双金属氧化物及其石墨烯复合物,并对材料的形貌、结构和电化学性能进行了表征。通过控制水热反应条件,得到不同形貌和电化学性能的钴镍双金属氧化物电极材料。最佳制备工艺条件为:水热温度为120℃,SDS的加入量为1 mmol,钴盐和镍盐的摩尔比为2:1,水热时间为15 h。XRD、SEM、TEM等测试结果表明制备的样品是由纳米薄片构成的三维花状微球,为尖晶石型NiCo_2O_4。当电流密度为1 A/g时,NiCo_2O_4花状微球电极材料的比电容可达到1737 F/g。在制备钴镍双金属氧化物的基础上,在水热反应的溶液中加入氧化石墨,通过控制制备工艺,得到了不同形貌和电化学性能的钴镍双金属氧化物/rGO复合材料。最佳制备工艺条件为:水热温度140℃,SDS的加入量为1.5 mmol,钴盐和镍盐的摩尔比为2:1,水热时间为9 h,加入的氧化石墨的质量为40 mg。XRD、SEM和TEM等测试结果测试表明,最佳工艺条件下制备的样品由尖晶石型NiCo_2O_4纳米薄片相互连接,构成三维结构,其较为均匀地覆盖在石墨烯表面,为NiCo_2O_4/rGO复合材料。当电流密度为1 A/g时,NiCo_2O_4/rGO复合材料的比电容值可达到2121 F/g。在10 A/g的电流密度下充放电循环2500次,比容量保持率可达到97.3%,高于纯相NiCo_2O_4的92.3%,这主要归功于NiCo_2O_4与rGO之间有效的协同作用。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O611.62;TB33;TM53
【图文】：
able 1-1 The comparison of electrochemical properties among traditional caprechargeable batteries and supercapacitors化学性能 传统电容器 二次电池 超级电容能机制 物理过程 化学过程 双电层：物法拉第：化时间 (s) 10-6-10-33600-18000 1-30时间 (s) 10-6-10-31080-10800 1-30电效率 (%) > 95 70-85 90-98度 (Wh·kg-1) < 0.1 20-100 1-10度 (W·kg-1) > 10450-200 1000-20环次数 > 105500-2000 > 105级电容器的结构
图 1-2 双电层电容器（a）和法拉第电容器（b）的储能机制示意图[13]。Fig. 1-2 The storage mechanisms diagram of double-layer supercapacitors (a) and Faradaicsupercapacitors (b)（2）法拉第电容器这种类别的电容器的储能方式如图 1-1（b）所示。在法拉第电容器中，电极材料多使用金属氧化物或氢氧化物，电容的产生和电极表面或体相电极材料的化学吸脱附过程或快速的氧化还原过程有关，过程中普遍涉及了电子转移的电化学过程[14]。充电时，由于扩散作用电解液离子运动到电极和电解液的界面，与电极材料发生电化学反应后进入到电极内部，正负极间由此形成一定的电势差。放电时，发生和充电阶段涉及反应的逆反应，电解液离子离开电极内部重新回到电极液中，两电极间的电势也回复到原始的状态。和双电层电容器相比，法拉第电容器的实际充放电阶段涉及到氧化还原反应，能量的产生非常依赖于电荷转移的速度和离子的取向，故能在短时间内达到较高的比电容和能量密度。但由于氧化还原反应的固有特征，没有改善性能的法拉第电容器和普通的电池一样，循环性能
图 1-3 富勒烯、碳纳米管和石墨烯的晶体结构[66]Fig. 1-3 The crystal structure of fullerene, carbon nanotube and graphen的碳原子因为共价键的作用紧密堆积成仅仅具有单个原子层，这便是石墨烯。其周期性排布的六角蜂窝状结构使这种材定性，其中每一个处于 sp2杂化状态下的碳原子都借助 键下的碳原子连接成碳骨架，两个价键之间的角度是 120°[67]结构和实际组成，石墨烯在力学、电学、热学和光学等领域由于组成石墨烯微观结构的碳原子间的共价键拥有柔韧的特示，呈二维结构的石墨烯可以作为基本素材，在一定空间内等一系列的操作，可以组成不同的三维结构，如球形存在的的碳纳米管[68]等。石墨烯的发现到这些更加复杂的碳材料的催化、能源、生物等领域研究的快速发展。
本文编号：2798052
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O611.62;TB33;TM53
【图文】：
able 1-1 The comparison of electrochemical properties among traditional caprechargeable batteries and supercapacitors化学性能 传统电容器 二次电池 超级电容能机制 物理过程 化学过程 双电层：物法拉第：化时间 (s) 10-6-10-33600-18000 1-30时间 (s) 10-6-10-31080-10800 1-30电效率 (%) > 95 70-85 90-98度 (Wh·kg-1) < 0.1 20-100 1-10度 (W·kg-1) > 10450-200 1000-20环次数 > 105500-2000 > 105级电容器的结构
图 1-2 双电层电容器（a）和法拉第电容器（b）的储能机制示意图[13]。Fig. 1-2 The storage mechanisms diagram of double-layer supercapacitors (a) and Faradaicsupercapacitors (b)（2）法拉第电容器这种类别的电容器的储能方式如图 1-1（b）所示。在法拉第电容器中，电极材料多使用金属氧化物或氢氧化物，电容的产生和电极表面或体相电极材料的化学吸脱附过程或快速的氧化还原过程有关，过程中普遍涉及了电子转移的电化学过程[14]。充电时，由于扩散作用电解液离子运动到电极和电解液的界面，与电极材料发生电化学反应后进入到电极内部，正负极间由此形成一定的电势差。放电时，发生和充电阶段涉及反应的逆反应，电解液离子离开电极内部重新回到电极液中，两电极间的电势也回复到原始的状态。和双电层电容器相比，法拉第电容器的实际充放电阶段涉及到氧化还原反应，能量的产生非常依赖于电荷转移的速度和离子的取向，故能在短时间内达到较高的比电容和能量密度。但由于氧化还原反应的固有特征，没有改善性能的法拉第电容器和普通的电池一样，循环性能
图 1-3 富勒烯、碳纳米管和石墨烯的晶体结构[66]Fig. 1-3 The crystal structure of fullerene, carbon nanotube and graphen的碳原子因为共价键的作用紧密堆积成仅仅具有单个原子层，这便是石墨烯。其周期性排布的六角蜂窝状结构使这种材定性，其中每一个处于 sp2杂化状态下的碳原子都借助 键下的碳原子连接成碳骨架，两个价键之间的角度是 120°[67]结构和实际组成，石墨烯在力学、电学、热学和光学等领域由于组成石墨烯微观结构的碳原子间的共价键拥有柔韧的特示，呈二维结构的石墨烯可以作为基本素材，在一定空间内等一系列的操作，可以组成不同的三维结构，如球形存在的的碳纳米管[68]等。石墨烯的发现到这些更加复杂的碳材料的催化、能源、生物等领域研究的快速发展。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 吴红英;王欢文;;钴酸镍纳米花/活性炭纤维复合物的制备和表征及其超级电容器性能[J];物理化学学报;2013年07期
相关博士学位论文 前1条
1 刘海晶;电化学超级电容器多孔碳电极材料的研究[D];复旦大学;2011年
本文编号：2798052
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2798052.html
