镍钴硫（硒）基超级电容器电极材料制备及其性能研究

发布时间：2017-06-07 08:33

  本文关键词：镍钴硫（硒）基超级电容器电极材料制备及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器作为一种重要的能源储存与转换的器件,因其具有高功率密度、循环稳定性高、充放电速度快、环境友好等特点而具有重要应用前景。而电极材料的性能是超级电容器性能的决定性影响因素之一。目前,因电极材料反应的不同的机理,电极材料可分为提供双电层电容的电极材料及提供赝电容的电极材料。石墨烯作为一种碳材料,具有导电性好、化学稳定性好、理论上具有2630 m2 g-1的比表面积等优点是一类重要的双电层电极材料,但靠其材料表面上的双电层提供的比电容是有限的;而依靠法拉第氧化还原反应提供的比电容的过渡金属氧化物,其比电容比碳材料要高,但是导电性低会直接导致倍率性能差,这限制其应用。碳材料的比电容低与过渡金属化合物的导电性差是当前超级电容器电极材料发展面临的重要挑战。为了解决以上问题,本文通过将制备具有三维结构的石墨烯与比电容更大的镍钴双金属硫化物复合,通过协同作用既能提高复合电极材料的导电性,又能提高其比电容,弥补二者的不足而发挥两种材料的优点,制备出具有优异性能的电极材料;本文进一步在镍钴双金属电极材料体系中引入导电性更佳的Se元素,研究Ni Co Se电极材料的性能。首先,将简易的冰模板法制备的三维氧化石墨烯在400℃及H2/Ar混合气氛下还原后保持了冰粒的结构,具有丰富的介孔及大孔结构。该三维石墨烯(3D RGO)在0.2 A/g的电流密度下具有265 F g-1的比电容,在电流密度增大到25倍(5 A/g)下经3000次多循环后比电容保持了95.7%,且在电流密度增大到100 A/g时其比电容保持了51.7%。通过电泳沉积法在泡沫镍(NF)上沉积具有三维结构的氧化石墨烯纳米片,并采用冰模板法中性能优异的还原条件制备3D RGO/NF,3D RGO改变了NF的表面形貌,并作为基底材料为Ni Co S的沉积提供了更大的表面积及提高了整体材料的导电性。电化学沉积的Ni Co S具有多孔及花簇状的结构,Ni Co S/NF/RGO电极材料在10 A/g的电流密度下具有2643 F/g的比电容,且在50 A/g的大电流密度下进行2500次多循环性能测试,比电容保持了84.22%(损失了15.78%)。说明该电极材料具有优异的电化学性能。本文进一步通过电化沉积法制备了Ni Co Se电极材料,电化学沉积法避免了粉体活性物质在使用过程中采用粘结剂来制备电极,提高了材料的整体性及导电性,且电化学沉积制备的Ni Co Se电极材料具有超薄的纳米片搭接的孔洞结构,这增加了电解液进出的通道,又增大了发生氧化还原反应的活性位点,使整体电极材料发挥出更加优异的电化学性能。通过条件优化制备出的Ni Co Se-2电极材料在5 A/g的电流密度下具有1204.4 F/g的比电容,且在50A/g的大电流密度下比电容下(903.3 F/g)进行2500次多循环性能测试,比电容保持了84.98%,虽然Ni Co S电极材料在5 A/g的电流密度下具有1394.44F/g的比电容,但是其电流密度变化到50 A/g时比电容保持了仅27.9%,相同条件下Ni Co Se为75%,综上说明Ni Co Se是一类性能优异的镍钴双金属硒化物超级电容器电极材料。
【关键词】：超级电容器 三维石墨烯 镍钴硫化合物 镍钴硒化合物 复合材料
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 超级电容器简介12-14
• 1.2.1 超级电容器概述12
• 1.2.2 超级电容器的原理及分类12-14
• 1.3 超级电容器的电极材料14-20
• 1.3.1 双电层电容器电极材料14-18
• 1.3.2 赝电容电容器电极材料18-20
• 1.4 超级电容器面临的挑战20-21
• 1.5 本课题主要研究内容21-23
• 第2章 实验材料、设备及方法23-29
• 2.1 实验材料及试剂23
• 2.2 实验方法23-25
• 2.2.1 氧化石墨烯制备23-24
• 2.2.2 三维石墨烯制备24
• 2.2.3 NiCoS及NiCoSe电极材料制备24-25
• 2.3 材料表征方法25-26
• 2.3.1 氮气吸脱附分析25
• 2.3.2 拉曼光谱分析25
• 2.3.3 X射线光电子分析25-26
• 2.3.4 扫描电镜分析26
• 2.3.5 透射电镜分析26
• 2.3.6 Zeta电位分析26
• 2.4 电化学性能测试26-29
• 2.4.1 循环伏安测试26-27
• 2.4.2 恒流充放电测试27
• 2.4.3 交流阻抗测试27-28
• 2.4.4 倍率特性测试28
• 2.4.5 多循环测试28-29
• 第3章 三维石墨烯电极材料的表征与分析29-39
• 3.1 引言29
• 3.2 氧化石墨烯与三维石墨烯的表征29-34
• 3.2.1 三维石墨烯的Raman表征30
• 3.2.2 氧化石墨烯Zeta表征30-31
• 3.2.3 三维石墨烯的XPS表征31
• 3.2.4 三维石墨烯的FTIR表征31-32
• 3.2.5 三维石墨烯的SEM表征32-33
• 3.2.6 三维石墨烯的BET表征33-34
• 3.3 三维石墨烯的电化学性能分析34-37
• 3.3.1 三维石墨烯CV及GCD比较34
• 3.3.2 H2/Ar条件下还原石墨烯CV及GCD表征34-35
• 3.3.3 三维石墨烯EIS表征35-36
• 3.3.4 三维石墨烯倍率性能表征36-37
• 3.3.5 三维石墨烯多循环性能表征37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 NiCoS电极材料的表征与分析39-49
• 4.1 引言39-40
• 4.2 三维石墨烯/泡沫镍的制备40
• 4.3 NiCoS电极材料的表征40-45
• 4.3.1 NiCoS电极材料的SEM表征41-42
• 4.3.2 NiCoS电极材料的Mapping表征42
• 4.3.3 NiCoS电极材料的TEM表征42-44
• 4.3.4 NiCoS电极材料的XPS表征44-45
• 4.4 NiCoS电极材料的电化学性能分析45-48
• 4.4.1 NiCoS电极材料的CV、GCD表征45-46
• 4.4.2 NiCoS电极材料的EIS性能表征46-47
• 4.4.3 NiCoS电极材料的倍率性能表征47
• 4.4.4 NiCoS电极材料的多循环性能表征47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 NiCoSe电极材料的表征与分析49-64
• 5.1 引言49-50
• 5.2 不同沉积层数的NiCoSe表征50-54
• 5.2.1 不同沉积层数的NiCoSe的SEM表征50
• 5.2.2 不同沉积层数的NiCoSe的CV、GCD表征50-52
• 5.2.3 不同沉积层数的NiCoSe的倍率性能表征52-53
• 5.2.4 不同沉积层数的NiCoSe的EIS性能表征53-54
• 5.3 不同比例NiCoSe电极材料的表征54-59
• 5.3.1 不同比例NiCoSe电极材料的SEM表征54-56
• 5.3.2 不同比例NiCoSe电极材料的EDS及Mapping表征56-57
• 5.3.3 不同比例NiCoSe电极材料的TEM表征57-58
• 5.3.4 不同比例NiCoSe电极材料的XPS表征58-59
• 5.4 不同比例NiCoSe电极材料的电化学性能分析59-62
• 5.4.1 不同比例NiCoSe电极材料的CV、GCD表征59-60
• 5.4.2 不同比例NiCoSe电极材料的EIS性能表征60-61
• 5.4.3 不同比例NiCoSe电极材料的倍率性能表征61-62
• 5.4.4 不同比例NiCoSe电极材料的多循环性能表征62
• 5.5 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文71-73
• 致谢73

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本文编号：428605