碳包覆钼酸钴纳米片阵列复合材料的制备及电化学储能研究

发布时间：2018-03-31 23:07

本文选题：碳包覆　切入点：钼酸钴　出处：《浙江理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：过渡金属氧化物因其较高的理论容量和良好的电化学活性,已成为超级电容器和锂离子电池电极材料的研究热点,其中以MnO2、NiO、Co3O_4和RuO等为典型代表。过渡金属氧化物电导率较低,导致其实际比容量不高;充放电过程中反复的体积缩胀变化使其结构稳定性较差,引发循环性能和倍率性能不佳。为此,许多研究者将目光投向了二元过渡金属氧化物。相比于单金属氧化物,二元过渡金属氧化物的禁带宽度更小,电子导电率更高,同时,其理论容量也更大,制备锂电池和超电容性能都有明显提高,但是提高程度较为有限,与其他电极材料相比,二元过渡金属氧化物仍然存在电导率较低的不足。将二元过渡金属氧化物与其他材料(金属氧化物、碳材料和导电聚合物等)进行复合处理可有效改善电极材料的电导率,加速离子和电子的传输,改善电极材料的电化学性能,是一种有效的电极材料改性手段。因此,本文使用水热-煅烧法对纳米结构的CoMoO_4材料进行碳包覆处理,利用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)和场发射扫描电子显微镜(SEM)分析C包覆CoMoO_4的结构特征,通过循环伏安法(CV)、恒流充放电法(GCD)和交流阻抗法(EIS)分析C包覆CoMoO_4的锂电池性能和赝电容性能,阐明碳包覆对CoMoO_4电化学储能性能的影响。本文主要研究内容如下:1、采用水热法合成生长在泡沫Ni基底上的CoMoO_4纳米片阵列,并通过水热-煅烧法对CoMoO_4纳米片阵列进行碳包覆处理。在水热反应后,对样品进行XRD、SEM检测,结果表明在泡沫Ni基底上生长了有序的、相互交联的三维网状CoMoO_4多孔纳米片阵列,但是该纳米片表面粗糙,存在许多介孔缺陷;再次葡萄糖水热-碳化煅烧法处理之后,对样品进行物相检测(XRD、EDS和SEM),XRD测试结果表明样品为C和β-CoMoO_4的复合物,EDS表明C材料均匀包覆在CoMoO_4材料表面,C的质量比为5.76%,通过SEM观察发现,碳包覆之后,复合材料仍呈相互交联的三维网状多孔纳米片阵列结构,但是CoMoO_4纳米片表面变得更加光滑细腻,纳米片边缘由不齐整变平滑,特别是纳米片表面的纳米孔洞都被填实,进一步证实了C材料已经成功包覆在了CoMoO_4纳米片的表面。纯CoMoO_4和C包覆CoMoO_4的负载分别为1.4和2.1 mg cm-2。同时热重测试(TG)表明葡萄糖在400 oC时完全碳化,该温度是合适的煅烧温度。2、以C包覆CoMoO_4纳米片阵列作为锂离子电池的负极材料研究碳包覆对CoMoO_4纳米片锂电池性能的影响。碳包覆之后,CoMoO_4纳米片表现出更高的比容量、更好的循环性能和倍率性能,锂电池性能有了明显提高。在100 mA g~(-1)的电流密度下,C包覆CoMoO_4纳米片阵列的首次充/放电容量分别为768/769mAh g~(-1),高于纯CoMoO_4纳米片阵列662/711 mAh g~(-1)的比容量。在50次循环过程中,C包覆CoMoO_4复合电极的平均充/放电比容量为630/651 mAh g~(-1),容量保持率(相对于最大放电比容量)为82%,而纯CoMoO_4电极的平均比容量只有599/618 mAh g~(-1),容量保持率为77%,通过碳包覆提高了CoMoO_4的循环性能和比容量;此外,大电流下C包覆CoMoO_4的电化学性能尤为突出,在0.8C、1C和2C倍率下的平均放电比容量依次为344、275和240 mAh g~(-1),远大于单一CoMoO_4的229、165和80 mAh g~(-1)的平均放电比容量,说明了C包覆CoMoO_4良好的倍率性能,同时C包覆CoMoO_4在倍率由2C恢复至0.4C时,达到了初始0.4C时平均放电容量的89%,表现了电极材料较突出的可逆性。循环伏安曲线、恒电流充电曲线和EIS图揭示了碳包覆有效提高了CoMoO_4的电导率,加速了电化学反应中的电子和离子转移,是改善CoMoO_4的锂电池性能的原因。3、以C包覆CoMoO_4纳米片阵列作为超电容活性材料,研究碳包覆对CoMoO_4纳米片赝电容性能的影响。结果表明,碳包覆对CoMoO_4的比电容、循环性能和倍率性能起到了显著的改善作用。在1000次充放电循环中,CoMoO_4和碳包覆CoMoO_4纳米片阵列的最高比电容分别为1492和1865 F g~(-1),容量保持率分别为74%和80%,碳包覆对CoMoO_4的比电容和循环性能的提升作用明显;C包覆CoMoO_4的大电流性能尤为突出,在1、2、4、6、8和1A g~(-1)的电流密度下,其比电容分别为1265,1251,1137,1128,1105,1317 F g~(-1),当电流密度恢复至1A g~(-1)时,其比电容还略有提升,说明其突出的倍率性能。恒电流充放电测试中,相比于CoMoO_4,C包覆CoMoO_4的充电平台电压下降,放电平台上升,表明碳包覆提高了CoMoO_4的电导率,这是CoMoO_4电化学性能提高的主要原因。
[Abstract]:In this paper , the properties of CoMo _ 4 nanoparticles were investigated by means of hydrothermal - calcination . The results showed that the properties of CoMo _ 4 nanoparticles were much higher than those of other electrode materials . The results showed that the properties of CoMo _ 4 were improved by hydrothermal method . The results showed that the samples were of C and 尾 - CoMoO4 . The results showed that the C - coated CoMo _ 4 composite was coated on the surface of CoMo _ 4 by hydrothermal - carbonization . The results showed that the C - coated metal oxide was coated on the surface of CoMo _ 4 material , and the mass ratio of C was 5.76 % . The effect of carbon coating on the properties of CoMo _ 4 nanosheets was investigated by SEM . The average discharge capacity of C - coated CoMo _ 4 nano - sheets was only 599 / 618 mAh g ~ ( -1 ) , the capacity retention rate was 77 % , and the average discharge capacity of C - coated CoMo _ 4 electrode was only 599 / 618 mAh g ~ ( -1 ) . The maximum specific capacitance of CoMo _ 4 and carbon - coated CoMo _ 4 nanosheets is 1492 and 85F g ~ ( -1 ) , respectively , and the capacity retention ratio is 74 % and 80 % , respectively . The specific capacitance of the carbon - coated CoMoO4 is more obvious than that of the capacitor . In the constant current charge - discharge test , the electric conductivity of CoMo _ 4 is increased compared with CoMoO4 and C - coated CoMoO4 , which indicates that the carbon coating improves the electrical conductivity of CoMoO4 . This is the main reason for the improvement of the electrochemical performance of CoMoO4 .

【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912;TM53

【参考文献】