氢氧化镍基电极材料的原位氧化制备及电化学性能优化

发布时间：2017-05-20 06:07

  本文关键词：氢氧化镍基电极材料的原位氧化制备及电化学性能优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：储能技术可以用于可再生能源的高效开发,是解决环境污染和能源危机的关键技术之一。超级电容器是介于锂离子电池和传统电容器之间的新型储能元件,具有廉价环保、功率密度高、循环寿命长等突出优点,已引起国内外研究团队的广泛关注。电极材料作为影响超级电容器性能的关键材料之一,如何设计制备出高性能电极材料,是近年来该研究领域的热点课题之一。Ni(OH)_2电极材料层状结构具有较大层间距,且成本低、环境相容性好、理论电容高,是电化学电容器优选的电极材料之一。泡沫镍具有结构均一、质量轻、强度高、耐腐蚀性好、电导率和热导率高等特点,可作为基体、集流体或者模板来构筑三维电极材料,简化电极制备工艺,提升电化学性能。本文以硝酸铵、硝酸锌、氨水和商品泡沫镍为原料,通过原位氧化泡沫镍,生成Ni(OH)_2及沉积Zn-Ni DHs(锌镍复合氢氧化物);采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微分析-X射线能谱(FESEM-EDS)、氮气吸附脱附测试(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术分析了所得材料的组分与结构;采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法测量了电极材料循环前后的电化学性能。主要研究内容及结果涵盖以下两个方面:1.三维Ni@Ni(OH)_2复合材料的制备及其电化学性能研究:以硝酸铵(NH_4NO_3)和泡沫镍(Ni)为原料,在80°C恒温24 h下,通过化学浴沉积法,在泡沫镍衬底上,原位氧化合成氢氧化镍/镍(Ni@Ni(OH)_2)泡沫电极。电化学测试表明,三维Ni@Ni(OH)_2泡沫电极具有高的面积电容6.4或1.62 F/cm~2(电流密度为2.5或30 mA/cm~2)。5000次循环测试表明,前1200次循环,样品面积电容有所增加,2000和5000次后,样品面积电容保留率约为70.4%和42%。其优良的电化学性能主要来源于Ni(OH)_2与泡沫镍衬底紧密结合的结构设计,使电解液离子可以快速有效地扩散到活性材料表面,同时提高了电子的传输速率。研究同时表明,循环后Ni@Ni(OH)_2的孔隙率和比表面积下降,减少了电解液与活性材料的接触面积,影响了离子扩散效率,从而导致了该样品电极较差的循环性能。2.三维Ni@Zn-Ni DHs复合材料的制备及其电化学性能的研究:以硝酸锌、氨水和泡沫镍为原料,通过化学浴沉积法,在泡沫镍衬底上,原位氧化生长和沉积Zn-Ni DHs纳米片阵。电化学测试表明,Ni@Zn-Ni DHs纳米片表现出良好的比电容:1 A/g下比电容为746.2 F/g(4.27 mA/cm~2下面积电容为3.18 F/cm~2)。Ni@Zn-Ni DHs电极在3000次充放电循环后比电容衰减29%。其优良的电化学性能主要来源于:一方面,Zn-Ni DHs纳米薄片构建的网状结构不仅为电解质离子的吸附作用提供了大量的位点,而且提供了电荷在电解质与活性物质Zn-Ni DHs之间进行传输的有效路径;另一方面,在泡沫镍上直接生成的Zn-Ni DHs纳米薄片增强了活性材料和基体之间的电接触,有效提高了活性材料的利用率。通过对循环后样品的XRD、FESEM分析,讨论了循环后比电容衰减的原因。循环后Zn-Ni DHs纳米薄片发生团聚和皱缩,减少了电解液与活性材料的接触面积,导致样品循环过程中性能不断衰减。
【关键词】：泡沫镍 氢氧化镍 原位氧化 三维电极 超级电容器
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 文献综述11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 超级电容器概述11-15
• 1.2.1 超级电容器的结构11-12
• 1.2.2 超级电容器的特点12-13
• 1.2.3 超级电容器与电池和传统电容器的比较13-15
• 1.2.4 超级电容器的应用15
• 1.3 超级电容器的分类15-18
• 1.3.1 双电层电容器16-17
• 1.3.2 赝电容电容器17
• 1.3.3 混合型电容器17-18
• 1.4 超级电容器的电极材料18-24
• 1.4.1 电极材料的性能评价指标18-19
• 1.4.2 碳材料19-21
• 1.4.3 导电聚合物21
• 1.4.4 过渡族金属氧化物/氢氧化物21-24
• 1.5 研究目的与研究内容24-27
• 1.5.1 研究目的24-25
• 1.5.2 研究内容25-27
• 第二章 实验部分27-33
• 2.1 实验原料27
• 2.2 实验仪器与设备27-28
• 2.3 实验过程28-29
• 2.3.1 三维Ni@Ni(OH)_2复合材料的制备28
• 2.3.2 三维Ni@Zn-Ni DHs复合材料的制备28-29
• 2.4 分析方法及表征29-30
• 2.4.1 X射线衍射分析29
• 2.4.2 场发射扫描电子显微分析29-30
• 2.4.3 氮气吸附脱附测试分析30
• 2.4.4 X射线光电子能谱分析30
• 2.5 电化学测试方法30-33
• 2.5.1 循环伏安测试30-31
• 2.5.2 恒电流充放电测试31
• 2.5.3 交流阻抗测试31-33
• 第三章 三维Ni@Ni(OH)_2 纳米复合材料的制备及其电化学性能研究33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 结果和讨论33-44
• 3.2.1 物相与微观结构分析33-37
• 3.2.2 电化学性能分析37-41
• 3.2.3 循环后Ni@Ni(OH)_2电极性能衰减原因41-44
• 3.3 小结44-47
• 第四章 三维Ni@Zn-Ni DHs复合材料的制备及其电化学性能研究47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 结果和讨论47-56
• 4.2.1 物相与微观结构分析47-51
• 4.2.2 电化学性能分析51-54
• 4.2.3 循环后Ni@Zn-Ni DHs电极性能衰减原因54-56
• 4.3 小结56-57
• 第五章 总结和展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-67
• 致谢67-69
• 硕士期间发表的论文及研究成果69

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本文编号：380794