混合超级电容器镍基复合材料的制备及其电化学性能的研究

发布时间：2020-09-18 08:25

　　 面对环境污染的不断加重以及传统不可再生能源的日益消耗,研究开发清洁环保且可再生的能源迫在眉睫。然而,目前常见的可再生能源,如风能、太阳能、潮汐能的稳定性严重受到自然条件的影响,限制了它们的实际应用效率与范围。而超级电容器以其存储性能好、释放能量速度快、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等独特性而倍受关注,成为研究热点。通常超级电容器的性能取决于电极材料的特性,因此研发高性能电极材料成为提高超级电容器性能的关键。NiO、Ni(OH)_2和Ni_3S_2等镍基材料具有理论比容量高、结构稳定、来源丰富和制备容易等优点,成为超级电容器电极材料的理想之选。然而NiO和Ni(OH)_2的低电导率和Ni_3S_2的易团聚性,都影响了它们单独作为电极材料的综合电化学性能。若将它们复合,则可以利用物质之间的协同作用实现优势互补,改善复合电极材料的综合电化学性能。本论文以泡沫镍为基底,将NiO和Ni(OH)_2分别与Ni_3S_2复合形成纯镍基复合材料。通过设计实验方案,避免材料团聚,改善材料的导电性以合成均匀分散的具有独特结构的电极材料,来提高电极材料的容量和循环性等电化学性能。本文的主要内容如下:(1)通过水热合成和热处理相结合的方法制备了直接长在泡沫镍上的NiO/Ni_3S_2复合纳米材料。Ni_3S_2高的电导率改善了复合材料整体的导电性,弥补了NiO导电性差的缺点,同时将NiO/Ni_3S_2长在泡沫镍上减小了界面电阻,形成了独特的峭壁状结构,增强了结构稳定性。因此NiO/Ni_3S_2/NF作为超级电容器的电极材料展现出卓越的电化学性能。在2 mA cm~(-2)的电流密度下容量达到2.28 C cm~(-2),循环10 000圈后电容仍保持102%。另外,在这项工作中我们还以NiO/Ni_3S_2为正极,活性炭(AC)为负极组装了混合超级电容器。该混合电容器同样展现出了优异的性能,其能量密度和功率密度分别可达43.99 Wh kg~(-1)和2305.80 W kg~(-1),循环5000圈后容量保持率为95.36%,并能成功点亮一系列LED灯。(2)通过水热合成与电沉积相结合的方法设计并合成了长在泡沫镍基底上的Ni_3S_2/Ni(OH)_2复合材料。首先合成在泡沫镍上均匀生长的Ni_3S_2,避免其团聚,增加其利用率。然后通过电沉积法将Ni(OH)_2沉积在Ni_3S_2表面之上,形成分层结构。在电化学反应过程中Ni(OH)_2对底层的Ni_3S_2起到了保护作用,因此在电化学测试中Ni_3S_2/Ni(OH)_2/NF表现出超强的循环稳定性,循环30 000圈后容量保持率高达113%。同时相比单纯的Ni_3S_2和Ni(OH)_2电极,Ni_3S_2/Ni(OH)_2/NF容量也得到了提高,在2 mA cm~(-2)的电流密度下,可提供1.58 C cm~(-2)的电容量。同样地,我们以Ni_3S_2/Ni(OH)_2/NF为正极,AC为负极组装了混合超级电容器。该混合超级电容器可实现30.23 Wh kg~(-1)的能量密度和3875 W kg~(-1)的功率密度。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TM53

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本文编号：2821410