基于钴铝层状双金属氢氧化物制备的电极材料及其电容性能

发布时间：2019-09-13 12:20

【摘要】：由于全球变暖与化石燃料短缺所带来的诸多社会以及环境问题,对于可再生的新型能源的需求推动科研人员开发出诸如太阳能电池、锂离子电池等许多先进的能源储存系统。其中,超级电容器是一种新型具有杰出的功率密度、优异的倍率性能和良好的循环寿命等优点的储能器件,从而引起了广泛的关注。从储能机理方面,超级电容器可以分为:双电层电容器其是基于电荷在电极表面聚集存储能量的而赝电容器则是在电极表面产生法拉第反应存储能量的。两者对比,赝电容器可以有比双电层电容器更高的能量密度,其作为理想的电化学活性材料具有很好的前景。近期,层状双金属氢氧化物由于其独特的层状结构中丰富离子的存在和过渡金属的存在为其提供了丰富的活性位点和电子通道的优势,从而引起广泛的研究兴趣。并且层状双金属氢氧化物作为超级电容器电极材料,它可以同时拥有双电层电容与法拉第电容储能机理。其具备高的氧化还原性,低成本,自然环保都是使其成为良好的赝电容材料的潜在优势。但是,对于层状双金属氢氧化物电极材料,具有相对较低的电导率,限制了电解质离子和电子的转移,并且其本身的金属氧化物体积膨胀效应都影响了电化学性能。本课题工作是基于钻铝双金属氧化物,通过以其为基础采用酸、碱刻蚀构筑多级结构电极材料,改善其双金属氢氧化物的团聚和堆叠,增大材料的比表面积,使得材料的活性位点得到裸露,缩短电子与离子的传输,进而提高电导率和改善稳定性。具体研究工作如下阐述:1.采用一步水热法制备出具有八仙花状钻铝双金属氢氧化物,通过控制前驱体浓度调控其形貌,然后用氢氧化钠在保留其形貌的前提下刻蚀部分铝元素造孔从而增大材料比表面积,其多级孔状结构提供了更多的电化学活性位点得到了较高的比容量,并且在充放电过程中有效地阻止了材料的膨胀破坏提高了其循环稳定性。电化学测试表明刻蚀时间在4h时,材料拥有最好的电容性能,在0.5 Ag-1下,比电容量高达873Fg-1。在将材料组装成不对称电容器后,充放电1000圈后电容保持率还在79.9%。2.采用回流法制备具有二维六边形片状结构的钻铝双金属氢氧化物,接着,调节pH在水溶液中常温搅拌,得到聚多巴胺包覆二维片状钴铝双金属氢氧化物,随后抽滤成膜-酸刻蚀-氮气保护下锻烧-酸刻蚀制备出具有三维多层中空结构的碳材料。在氮气保护下当温度为650℃时,性能到达最优。当电流密度高达10A g-1时,比容量仍旧高达152Fg-1,组装成器件后,进行5000次循环测试,保持率仍在85.6%。
【图文】：

模型图,双层模型,亥姆霍兹,模型

电容（图ｌａ）。为了最大限度地提高电荷存储容量，电极材料通常由高度多孔的碳逡逑材料制成。并且，由于是基于双电层机制的超级电容器，它拥有宽的界面面积和逡逑在原子范围内电荷之间的分离距离，也可以存储更多的能量。如图１．２ａ，双电层逡逑Ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ逦Ｓｔｅｒｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑，逦ｆｔ逦Ａ逦＾逦／—心、Ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ逡逑ｆ邋ｆ逦房邋Ａ邋？。ｓｏｌｖａｔｅｄ邋ｃａｔｉｏｎ逡逑Ｉｔｉ邋Ａ？邋ｅ＾ｉ逦＼逦？逡逑ｍ逦ｉｍＺｅ＼逦ａｎｉｏｎ逡逑＋邋１逦Ｉ逦气逦ｆＴ？逦？ｉ逡逑ｍＪ逦Ｔ逦ｉ逦Ｔｉｎ邋ｊ逡逑ＩＭＰ邋ＯＨＰ逡逑⑷逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．２带正电表面的双层模型（ａ）亥姆霍兹模型；（ｂ）邋Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ模型；（ｃ）邋Ｓｔｅｒｎ逡逑模型逡逑Ｆｉｇｌ．邋２．邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｗｉｔｈ邋ｐｏｓｉｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ：邋（ａ）邋Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｂ）邋Ｇｏｕｙ－逡逑Ｃｈａｐｍａｎ邋ｍｏｄｅｌ；邋ａｎｄ邋（ｃ）邋Ｓｔｅｒｎ邋ｍｏｄｅｌ．逡逑的概念首先由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ在第十九世纪调查在胶体粒子的界面处分布相反的电荷逡逑进行描述和模拟的［４］。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ双层模型表明，在电极／电解质界面上形成两层逡逑相反的电荷，并由原子间距分离。该模型是类似的两个板的常规电容器。由Ｇｏｕｙ逡逑和Ｃｈａｐｍａｎ进一步修改Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ双电层模型，，基于该模型发现在电解质溶液逡逑中一个连续分布的电解质离子通过热运动驱动所组成的扩散层（见图１．２ｂ）。然而，逡逑在基于Ｃｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ模型时

电容图,电容,氧化还原,欠电位沉积

．丨逡逑}Ｕ邋＾ＬＪ逡逑ＰｏｓＨＩｖ＃邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ＮｅｆＭｉｖ＃逡逑图１．３双电层电容示意图Ｉ６１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３．邋Ａｂｒｉｄｇｅｄ邋ｇｅｎｅｒａ）邋ｖｉｅｗ邋ＥＤＬＣｆ６］．逡逑电化学双层电容如图0所示，可以明确看到电化学双层电容器的结构，其逡逑是由电极、电解液和隔膜组成的。电极材料一般是碳，石墨烯或它们的衍生物。逡逑这些碳材料比表面积非常大，因而适用于双电层电容器［７］。所述的电极也包括所逡逑述的集流体。电解质提供了离子传导，决定了工作电压。电极材料、孔径、成本逡逑和各种其它参数选择是决定电解液的依据。而隔膜是一种充当阻碍的来防止电极逡逑间发生电接触或电子接触膜。然而，离子却可以更容易的通过并且移动。该隔膜逡逑主要是多孔材料，在电解质中具有最小的电阻和高电子绝缘性和好的离子转移。逡逑常用的材料有非织造纤维（玻璃，尼龙，聚酯等）纤维素和聚合物Ｈ。对电容器逡逑器件特性有显著影响的因素有隔膜的厚度、组成和孔径大小。然后
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53

【相似文献】