镍基薄膜电极微纳结构调控及其电化学储能性能研究

发布时间：2020-06-27 09:40

【摘要】：超级电容器是一种重要的储能器件,然而较低的能量密度限制了其应用。为了提高超级电容器的能量密度,出现了一种新型的电化学储能装置,被称为混合型超级电容器(HSC)。一般来说,HSC主要由电池类型电极为能量源,电容型类型电极为功率源。与传统的超级电容器相比,电池型电极往往比传统的双电层电极具有更大的容量,导致能量密度的增加。另一方面,与电池相比,电容型电极通常具有比电池型电极更快的充电/放电速率和更长的寿命。本论文通过简单的一步液相法制备一维超长镍纳米线,合成方法简单且反应时间短。通过真空抽滤可得到自支撑的镍纳米线薄膜,然后将活性材料直接生长在镍纳米线的表面,制备了高性能的电极材料,并研究了其在混合型超级电容器上的应用。主要的研究成果如下:1、提出一种用于高倍率性能电极材料的处理镍纳米线一步电化学法,能够合成为Ni@Ni(OH)_2薄膜,直接用于电化学储能。具有无需要粘合剂或导电添加剂的优势,制成Ni@Ni(OH)_2薄膜电极的体积容量111.1 C/cm~3(0.12 A/cm~3),倍率性能(在1.92 A/cm~3时为83.1 C/cm~3)显著提高,在高电流密度下(1.92 A/cm~3)1500次循环后容量保持率高达78%。2、发明了一种新型纳米发泡工艺以提高电极材料的体积容量,所制备的Ni@Ni(OH)_2薄膜电极拥有超高的体积容量(0.5 A/cm~3时为462 C/cm~3),并具有优异的循环稳定性。此外,组装了以Ni@Ni(OH)_2薄膜作为正极,石墨/烯碳纳米管薄膜作为负极的混合型超级电容器,其体积电容高达95 F/cm~3(0.25 A/cm~3),循环性能优异(在4500个循环后仅衰减14%)。此外,体积能量密度可以达到33.9 mWh/cm~3,远高于报道的薄膜锂电池(1~10 mWh/cm~3)。3、提出了一种钴掺杂工艺能够有效提高Ni@Ni_3S_2纳米线薄膜电极的电化学性能,Co离子通过简单的离子交换过程被均匀地掺杂到Ni_3S_2纳米片上。钴掺杂到Ni@Ni_3S_2纳米线后,薄膜电极的电化学性能得到很大的改善,其体积容量从105提高到730 C/cm~3(0.25 A/cm~3)。采用Co掺杂的Ni@Ni_3S_2作为正极制备了混合型超级电容器,在0.5 A/cm~3时,体积电容达到142 F/cm~3(基于电极的总体积)和优异的循环稳定性(5000次循环后电容仅降低3%)。此外体积能量密度可以达到44.5 mWh/cm~3(功率密度为375 mW/cm~3)。4、设计了一步电沉积法在三维镍纳米线薄膜上生长CoNi_2S_4纳米片用于高性能的储能电极。所制备的Ni@Ni-Co-S可直接用作超级电容器的电极。利用三维导电纳米结构的良好导电性和多孔纳米片的特性,所制备的Ni@Ni-Co-S薄膜电极在0.5 A/cm~3时的体积容量高达392.8 C/cm~3和良好的倍率性能。组装了基于Ni@Ni-Co-S正极和rGO-CNTs负极的混合型超级电容器。我们的器件在254.5mW/cm~3的功率密度下表现出高达18.4 mWh/cm~3的高能量密度,以及在10000次循环后具有90.5%电容保持率的循环性能。综上,本文对一维镍基纳米线薄膜进行简单的化学处理,提高电极材料的电化学性能,是一种低成本、性质稳定的提升材料电化学性能的手段,能够用于其它类似的一维纳米结构中。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53
【图文】：

扫描电镜照片,纳米线,热重分析,扫描电镜照片

b)不同倍数下 Ni 纳米线线的扫描电镜照片；(c)Ni 纳米线的 X 射线衍射图谱(d)Ni 纳米线的热重分析ig. 2-2 (a and b) SEM images of Ni nanowires at different magnifications. (c) XRD pattern onanowires. (d) TGA curve of Ni nanowires membrane为了获得 Ni(OH)，Ni 薄膜在 6M 的 KOH 电解质溶液中，在-1.0~0.1V 的

循环伏安曲线,循环伏安曲线

39图 2-3 Ni 纳米线薄膜以 5 mV/s 的循环伏安曲线. 2-3 Cyclic voltammetry curves of Ni nanowire membrane at 5 m

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