硫化物核壳结构材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2017-08-14 22:25

  本文关键词：硫化物核壳结构材料的制备及其在超级电容器中的应用

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【摘要】：超级电容器具有比电容高、使用寿命长、充电时间短、资源节约以及环境友好等优点,因此引起了普遍的重视。然而,低的能量密度成为了其主要的技术障碍。根据能量密度公式(E=1/2CV2)可知,超级电容器的比电容和工作电压对于提高能量密度尤为重要。本文结合新型硫化物和核壳结构,制备了一系列硫化物核壳结构电极材料。然后以硫化物核壳结构材料为正极,活性炭为负极设计了非对称超级电容器。通过水热反应在泡沫镍上生长三棱锥状的Ni_3S_2阵列,然后采用电沉积的方法在其上负载卷曲的CoS纳米片,制备了Ni_3S_2@CoS复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和光电子能谱(XPS)对材料的结构和形貌进行表征,同时在三电极体系中对Ni_3S_2和Ni_3S_2@CoS电极进行测试。结果表明,在4 mA cm-2的电流密度下,Ni_3S_2@CoS电极的面积比电容高达4.89 F cm-2,这要比纯的Ni_3S_2电极(1.97 F cm-2)高得多。Ni_3S_2@CoS电极在电化学性能上的优势主要源于:一方面Ni_3S_2与CoS都是具有代表性的赝电容材料,两者产生了协同作用;另一方面Ni_3S_2@CoS阵列核壳结构,能够加快电解质离子的扩散速度,同时为电荷转移提供有效路径。以Ni_3S_2和Ni_3S_2@CoS作为正极材料,以商用活性炭为负极材料,设计了非对称超级电容器。电化学测试结果表明,当电流密度为1.43 mA cm-2时,Ni_3S_2@CoS非对称超级电容器的面积比电容可达0.68 F cm-2。当功率密度为0.14kW kg-1时,其能量密度高达28.24 Wh k g-1。另外,循环寿命测试表明,经过2000次循环充放电后,Ni_3S_2@CoS非对称超级电容器的比电容仍能保持初始值的98.83%,表现了持久的循环寿命。采用离子交换的方式在泡沫镍上生长NiCo_2S_4纳米管阵列,而后在其上电沉积层叠卷曲的片状Co(OH)_2,得到NiCo_2S_4@Co(OH)_2复合材料。利用XRD、SEM和TEM对材料的结构和形貌进行表征,同时在三电极体系中对NiCo_2S_4和NiCo_2S_4@Co(OH)_2电极进行测试。在2 mA cm-2的电流密度下,NiCo_2S_4@Co(OH)_2电极的面积比电容高达9.6 F cm-2,几乎是NiCo_2S_4电极的两倍。即使电流密度达到最大值32 mA cm-2,NiCo_2S_4@Co(OH)_2电极的面积比电容仍然维持在6.4 F cm-2。NiCo_2S_4@Co(OH)_2复合材料优秀的电化学性能主要源于以下几个原因。首先NiCo_2S_4纳米管具有中空的阵列结构,促进了电解质离子的扩散。其次NiCo_2S_4还具有良好的导电性。此外,NiCo_2S_4@Co(OH)_2纳米管阵列与基体泡沫镍紧密结合,不易脱落,有利于循环稳定性。以NiCo_2S_4、NiCo_2S_4@Co(OH)_2为正极材料,商用活性炭为负极材料,构建非对称超级电容器。电化学测试结果表明,当电流密度从0.5 A g-1增大到4 A g-1时,NiCo_2S_4@Co(OH)_2非对称超级电容器的比电容由100.94 F g-1变化到73.75 F g-1。当功率密度在0.4 kW kg-1时,能量密度高达35.89 Wh kg-1。并且循环寿命测试表明,经过5000次循环充放电后,NiCo_2S_4@Co(OH)_2非对称超级电容器的比电容仍能维持初始值的70.10%,表现了良好的循环稳定性能。由此可见,NiCo_2S_4@Co(OH)_2电极材料在非对称超级电容器上具有巨大的应用潜能。
【关键词】：超级电容器 Ni_3S_2@CoS NiCo_2S_4@Co(OH)_2 核壳结构
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ125.1;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-20
• 1.1 超级电容器的储能原理及分类11-12
• 1.1.1 双电层电容器11
• 1.1.2 赝电容（法拉第）电容器11-12
• 1.2 超级电容器电极材料研究进展12-16
• 1.2.1 双电层电容器电极材料12-14
• 1.2.2 赝电容（法拉第）电容器电极材料14-16
• 1.3 硫化物电极材料研究进展16-18
• 1.4 本课题的选题意义及研究内容18-20
• 第2章 Ni_3S_2@CoS纳米三棱锥核壳结构的制备及其电化学性能的研究20-30
• 2.1 本章引论20
• 2.2 主要实验试剂与仪器20-22
• 2.2.1 主要仪器20-21
• 2.2.2 主要试剂21-22
• 2.3 Ni_3S_2@CoS纳米三棱锥核壳结构的制备22-23
• 2.3.1 Ni_3S_2纳米三棱锥的制备22
• 2.3.2 CoS纳米片的制备22-23
• 2.4 电化学性能测试23
• 2.5 结果与讨论23-28
• 2.5.1 扫描电子显微镜分析 (SEM)23-24
• 2.5.2 X射线衍射分析 (XRD)24-25
• 2.5.3 X射线光电子能谱 (XPS) 分析25
• 2.5.4 透射电子显微镜 (TEM) 分析25-26
• 2.5.5 Ni_3S_2、Ni_3S_2@CoS电极的电化学性能测试26-28
• 2.6 本章小结28-30
• 第3章 Ni_3S_2@CoS非对称超级电容器的电化学性能研究30-38
• 3.1 本章引论30-31
• 3.2 非对称超级电容器的设计31-33
• 3.2.1 负极材料的电化学性能测试31
• 3.2.2 正负极电位窗口确定31-32
• 3.2.3 正负极质量匹配原则32-33
• 3.3 结果与讨论33-36
• 3.3.1 非对称超级电容器的电化学性能研究33-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 NiCo_2S_4@Co(OH)_2纳米管核壳结构的制备及其电化学性能研究38-48
• 4.1 本章引论38
• 4.2 主要实验试剂与仪器38-40
• 4.2.1 主要仪器38-39
• 4.2.2 主要试剂39-40
• 4.3 NiCo_2S_4@Co(OH)_2纳米管核壳结构的制备40-41
• 4.3.1 NiCo_2S_4纳米管的制备40
• 4.3.2 Co(OH)_2纳米片的制备40-41
• 4.4 电化学性能测试41
• 4.5 结果与讨论41-47
• 4.5.1 扫描电子显微镜 (SEM) 分析41-43
• 4.5.2 X射线衍射 (XRD) 分析43-44
• 4.5.3 透射电子显微镜 (TEM) 分析44
• 4.5.4 NiCo_2S_4@Co(OH)_2电极的电化学性能测试44-47
• 4.6 本章小结47-48
• 第5章 NiCo_2S_4@Co(OH)_2非对称超级电容器的电化学性能研究48-56
• 5.1 本章引论48-49
• 5.2 非对称超级电容器的设计49-51
• 5.2.1 负极材料的电化学性能测试49
• 5.2.2 正负极电位窗口确定49-50
• 5.2.3 正负极质量匹配原则50-51
• 5.3 结果与讨论51-54
• 5.3.1 非对称超级电容器的电化学性能研究51-54
• 5.4 本章小结54-56
• 第6章 结论56-60
• 6.1 研究总结56-57
• 6.2 展望57-60
• 参考文献60-68
• 致谢68-70
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果70

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本文编号：675067