基于纳米结构的非对称超级电容器的研究

发布时间：2018-01-28 01:14

本文关键词： 核壳异质纳米材料氢化的CoO_x纳米线石墨烯非对称超级电容器　出处：《上海师范大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：超级电容器,又称为电化学电容器,因其比电池具有更高的功率密度,同时,比传统介质电容器具有更高的能量密度,而备受关注。然而,与电池相比,超级电容器的能量密度往往偏低(通常≤10Wh/kg),这很大程度上限制了它的应用。因此,在保证高的功率密度和长的循环寿命条件下,开发更高能量密度的超级电容器是非常有必要的。而非对称超级电容器是由一个电池型法拉第电极作为能量源和一个电容电极作为功率源组成的,很好地结合了两电极不同的窗口电压,扩大了非对称超级电容器工作电压,从而显著地提高能量密度。因此,开发非对称超级电容器,被认为是一种提高能量密度有效的方法。另一方面,核壳异质纳米材料因其具有较大电化学活性表面积和更短电子运输途径,在超级电容领域得到广泛的关注。因此,本文设计和制备了核壳异质纳米材料电极,在此基础上,组装了非对称超级电容器,围绕非对称超级电容器开展了一系列的研究。首先,本文采用多孔泡沫镍为基底,通过水热法制备超薄Ni(OH)2纳米壁。通过SEM形貌表征,循环伏安法和恒流充放电等电化学性能测试,考察了反应温度和时间对超薄Ni(OH)2纳米壁结构及其电容特性的影响。实验结果表明,随着反应时间的增加,Ni(OH)2结构形貌基本不变,沉积的活性物质质量增加。当反应时间为10h,温度为100℃时,电流密度为2A g-1Ni(OH)2纳米壁的比电容可达1624F g-1当反应温度升高到180℃后,Ni(OH)2不再是纳米壁,而是200nm左右的纳米颗粒,其比电容显著下降(240F g-1,与反应时间相比,反应温度对其形貌和性能的影响更为显著。其次,在多孔泡沫镍基底上通过水热法直接生长C0304纳米线阵列,为了提高C0304纳米线的电化学活性和导电性,在氢气的氛围中,对C0304纳米线进行退火,氢化处理。实验结果表明,当氢气的流量为7.5sccm时,获得了多孔的氢化CoOx(记为H-CoOx)纳米线,与原来的Co304纳米线相比,H-CoOx纳米线电极的比电容明显提高,为原来的2倍(816Fg-1描速度为10mV s-1),其等效串联内阻仅为0.48Ω,导电性得到改善。随后,H-CoOx作为纳米核壳结构的支撑骨架,通过水热反应与超薄Ni(OH)2复合,得到H-CoOx@Ni(OH)2核壳异质纳米材料,通过电化学测试,在电流密度为2Ag-1时,复合电极获得2196Fg-1的高比电容,经2000次充放电循环测试后,其比电容仍然保留初始的94%,表现出良好的循环性能。在负电极方面,用FeCl3、FeCl2和氧化石墨烯为原料,通过溶剂热合成法将Fe304纳米颗粒附着在还原氧化石墨烯(RGO)纳米片上,来制备复合纳米材料(记为‘'RGO@Fe3O4")。经SEM形貌表征和电化学性能测试比较,得到了实验结果：在1Ag-1电流密度下,RGO@Fe3O4电极获得了316Fg-的比电容,与传统炭电极(在水系电解质中,比电容为200F g-1右)相比,该结果有了可观的改善。最后,以H-CoOx@Ni(OH)2核-壳纳米线为正极,以RGO@Fe3O4复合纳米材料为负极,组装成非对称超级电容器,并通过循环伏安法、交流阻抗分析、恒流充放电等测试研究其电化学性能。结果表明,H-CoOx@Ni(OH)2//RGO@Fe304非对称超级电容器能获得高能量密度,当功率密度为1010W kg-1能量密度为45.3Whkg-1;当功率密度为7080w kg-1仍然具有23.4Wh kg-1的能量密度;5000次充放电测试后,能够保留91.8%的初始电容。最终,进行了器件的演示,此电容器仅需1分钟完成一次充电,能驱动小风车(0.8V,0.1W20分钟以上,展示了其良好的应用前景。
[Abstract]:An asymmetric super capacitor is considered to be an effective method to improve the energy density . Therefore , the asymmetric super capacitor is considered to be an effective method to improve the energy density . The effect of reaction temperature and time on the structure and properties of ultra - thin Ni ( OH ) 2 nano - wall was investigated by means of SEM , cyclic voltammetry and constant current charge - discharge . In order to improve the electrochemical activity and conductivity of the C0304 nanowires , a porous hydrogenated CoOx ( H - CoOx ) nanowire is obtained by hydrothermal method . The results show that when the flow rate of hydrogen is 7.5 sccm , the specific capacitance of the H - CoOx nanowire electrode is obviously improved . The H - CoOx @ Ni ( OH ) 2 core - shell heterogeneous nano - material is obtained through hydrothermal reaction and ultra - thin Ni ( OH ) 2 . After the 2000 charge / discharge cycle test , the specific capacitance of the H - CoOx nanowire electrode is still retained by 94 % , and good cycle performance is exhibited . The composite nano - material ( named ' RGO @ Fe3O4 ' ) was prepared by using Fe304 nanoparticles as raw materials in the negative electrode , and the composite nano - material was prepared by solvent thermal synthesis method ( named as ' RGO @ Fe3O4 " ) . Compared with the traditional carbon electrode ( in the water - based electrolyte , the specific capacitance of 200F g - 1 right ) , the results obtained the experimental results . The results show that H - CoOx @ Ni ( OH ) 2 // RGO @ Fe304 asymmetric super capacitor can obtain high energy density . When the power density is 7080w / kg - 1 , the energy density of 91.8 % can be retained . When the power density is 7080w / kg - 1 , the initial capacitance of 91.8 % can be retained .

【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM53

【参考文献】