三元钴镍硫化物纳米晶的制备及其在超级电容器领域的应用

发布时间：2017-09-17 01:29

  本文关键词：三元钴镍硫化物纳米晶的制备及其在超级电容器领域的应用

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【摘要】：随着全球经济的快速发展,化石燃料消耗造成的能源危机以及环境污染问题日益严峻,迫切需要一种高效、清洁、可持续的能源或者新的技术来转换和储存能量。近年来,作为一种新型的能量存储形式,超级电容器由于其较高的功率密度、快速的充放电、长的寿命、低的成本、环境友好以及安全等优点受到了人们的密切关注,目前已被广泛应用于声视频设备、混合动力电动汽车、大型工业设备以及存储备份设备等领域。一般而言,超级电容器的电荷存储和性能应用密切依赖于所使用的电极材料。因此,在超级电容器的研究过程中,人们为开发寻找各种性能优异的电活性材料而投入了大量的工作。截止目前,已经应用于超级电容器的电极材料大致可分为三类:碳基材料、导电聚合物和过渡金属化合物。其中,具有较大表面积和良好导电性的碳基材料被广泛用作双电层电容器的电极材料。尽管其具有较大的功率密度,但是由于较小的比电容导致其能量密度较低,限制了它的应用。与之相比,基于导电聚合物和过渡金属化合物的超级电容器,由于其电极材料具有鲜明的法拉第电容特性,可以通过快速可逆的氧化还原反应来储存能量,从而获得较高的比电容和能量密度。但导电聚合物由于在持续的充放电过程中体积会发生较大的收缩和膨胀,导致其循环稳定性较差。而对于过渡金属化合物来说,尽管也有一些缺点(如导电性差),但其能提供比传统碳材料更高的能量密度,比聚合物材料更好的电化学稳定性。因此,过渡金属化合物成为目前研究最多的一类超级电容器电极材料。众所周知,硫元素的电负性小于氧元素,因此,金属硫化物具有比氧化物更灵活多变的结构以及较高的电导率。同时,相对于二元简单硫化物而言,过渡金属三元硫化物电极材料还具有一些其他的应用优势:如:更丰富的氧化还原化学反应、较高的电化学活性和较低的成本。因此,过渡金属三元硫化物已成为目前电化学等领域的研究热点。据此,本学位论文以过渡金属三元硫化物在超级电容器领域的应用为研究背景,通过简单的一步溶剂热法合成了CoNi2S4纳米粒子,并利用简单的物理复合方法制备了CoNi2S4/石墨烯的复合材料,对其电化学性能进行了深入研究。其次是以活性炭为负极材料,以CoNi2S4纳米粒子为正极材料,成功组装了液相不对称超级电容器,对其电化学性能及其实际应用进行了研究。最后,以CoNi2S4/石墨烯复合材料为正极材料,成功组装了全固态的不对称超级电容器,拓展了CoNi2S4纳米材料在便携式设备方面的应用价值。具体研究内容如下:(1)CoNi2S4纳米粒子及其石墨烯复合材料的合成与电化学性能通过简便的一步溶剂热法成功合成了CoNi2S4纳米粒子。所制备纳米粒子的平均尺寸大约为8-15 mm。然后又通过简单的物理复合方法制备了CoNi2S4/石墨烯的纳米复合材料。电化学测试结果表明,CoNi2S4纳米粒子是一种较好的超级电容器电极材料。同时,当石墨烯的负载量为5%(wt%)时,基于CoNi2S4/石墨烯纳米复合材料的超级电容器电极的赝电容特性显著增强,在放电电流密度为1 A g-1时,其最大比电容能达到2099.1 F g-1。此外,该电极还表现出很好的倍率性能(在20 A g-1比电容为1046.4 F g-1)和较好的电化学可逆性。由此可以看出,CoNi2S4纳米粒子和CoNi2S4/石墨烯纳米复合材料对于高性能的超级电容器而言均是有较高应用价值的电极材料。(2)基于CoNi2S4纳米粒子的液相不对称超级电容器的组装及其电化学性能将CoNi2S4纳米粒子作为正极,活性炭作为负极,成功组装了液相不对称超级电容器。该不对称超级电容器在3 mol L-1的KOH溶液中电压窗口能达到0-1.6 V,其最大能量密度能达到53.1 Wh Kg-1,即使在功率密度为7630 W Kg-1时,能量密度也能达到36.7 Wh Kg-1。而且,经过1000次循环后,其比电容仍能保持初始比电容的89%。此外,两个串联的不对称设备不仅可以点亮一个红色的LED灯,而且还能带动旋转电机快速转动,显示出较好的实际应用价值。(3)基于CoNi2S4/石墨烯复合材料的全固态超级电容器的组装及其电化学性能通过以CoNi2S4/石墨烯复合材料作为正极,活性炭作为负极,聚乙烯醇/KOH(PVA/KOH)凝胶作为固态电解质组装了全固态不对称超级电容器。电化学性能测试结果表明,该全固态不对称超级电容器的电压窗口能达到0-1.6V,其在3 m A cm-2的放电电流密度下,其比电容达到34.2 F g-1。而且,在10 mA cm-2的放电电流密度下,经过5000次循环后的比电容仍能保持起始电容的62%。因此,基于CoNi2S4/石墨烯复合材料的全固态超级电容器具有很好的实际应用价值。
【关键词】：CoNi_2S_4 石墨烯 不对称 液相 全固态 超级电容器
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 超级电容器概述13-14
• 1.2 过渡金属三元化合物的合成14-18
• 1.2.1 水热合成法14-15
• 1.2.2 溶剂热合成法15
• 1.2.3 共沉淀法15-16
• 1.2.4 电化学沉积法16
• 1.2.5 溶胶凝胶法16-17
• 1.2.6 静电纺丝法17-18
• 1.3 过渡金属三元化合物在超级电容器领域的应用18-23
• 1.3.1 液相电解质体系中过渡金属三元化合物的电化学性能研究18-20
• 1.3.1.1 过渡金属三元化合物单电极的电化学性能研究18-19
• 1.3.1.2 基于过渡金属三元化合物液相对称超级电容器19
• 1.3.1.3 基于过渡金属三元化合物的液相不对称超级电容器19-20
• 1.3.2 固态电解质体系下过渡金属三元化合物的电化学性能研究20-21
• 1.3.2.1 基于过渡金属三元化合物固态对称超级电容器20-21
• 1.3.2.2 基于过渡金属三元化合物固态不对称超级电容器21
• 1.3.3 过渡金属三元化合物复合材料的电化学性能研究21-23
• 1.3.3.1 基于过渡金属三元化合物复合材料的单电极的电化学性能研究22
• 1.3.3.2 基于过渡金属三元化合物复合材料两电极测试体系下的电化学性能研究22-23
• 1.4 本课题的研究内容及意义23-25
• 参考文献25-31
• 第二章 CoNi_2S_4纳米粒子及其石墨烯复合材料的合成与电化学性能研究31-49
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-34
• 2.2.1 实验试剂和材料32-33
• 2.2.2 CoNi_2S_4纳米粒子的合成33
• 2.2.3 石墨烯的合成33
• 2.2.4 CoNi_2S_4/石墨烯纳米复合材料的合成33-34
• 2.2.5 样品表征34
• 2.2.6 单电极的制备与电化学性能测试34
• 2.3 结果与讨论34-44
• 2.3.1 CoNi_2S_4纳米粒子结构和形貌表征34-36
• 2.3.2 CoNi_2S_4/石墨烯纳米复合材料结构和形态表征36-37
• 2.3.3 CoNi_2S_4纳米粒子和CNS@5%GR纳米复合材料的微观结构分析37-38
• 2.3.4 CoNi_2S_4纳米粒子的电化学性能测试38-40
• 2.3.5 CoNi_2S_4/石墨烯纳米复合材料的电化学性能测试40-44
• 2.4 本章小结44-45
• 参考文献45-47
• 附录A47-49
• 第三章 基于CoNi_2S_4纳米粒子和活性炭的高性能水相对称、不对称超级电容器49-65
• 3.1 引言49-51
• 3.2 实验部分51-52
• 3.2.1 CoNi_2S_4纳米粒子的合成51
• 3.2.2 工作电极的制备及超级电容器的装配51
• 3.2.3 电化学性能测试51-52
• 3.3 结果与讨论52-60
• 3.3.1 CoNi_2S_4纳米粒子和活性炭的电化学性能52-54
• 3.3.2 水相不对称超级电容器的电化学性能54-56
• 3.3.3 水相对称超级电容器的电化学性能56-58
• 3.3.4 循环稳定性58-59
• 3.3.5 水相不对称超级电容器的实际应用59-60
• 3.4 本章小结60-61
• 参考文献61-65
• 第四章 新型电化学储能设备：基于CoNi_2S_4/石墨烯纳米复合材料的固态不对称超级电容器65-75
• 4.1 引言65-66
• 4.2 实验部分66-67
• 4.2.1 实验试剂和材料66-67
• 4.2.2 凝胶电解质的制备67
• 4.2.3 全固态超级电容器的组装67
• 4.3 结果与讨论67-72
• 4.3.1 基于CNS@5%GR纳米复合材料的全固态不对称超级电容器的电化学性能测试67-68
• 4.3.2 基于CNS@5%GR纳米复合材料的全固态对称超级电容器的电化学性能测试68-69
• 4.3.3 基于AC的全固态对称超级电容器的电化学性能测试69-70
• 4.3.4 循环稳定性70-72
• 4.3.5 全固态不对称超级电容器的实际应用72
• 4.4 本章小结72-73
• 参考文献73-75
• 第五章 全文总结与未来展望75-77
• 个人简历77-78
• 研究生期间发表的学术论文78-79
• 已发表和接受的论文78
• 准备发表的论文78
• 参加会议78-79
• 致谢79

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本文编号：866493