泡沫镍载过渡金属氧化物的制备及其电化学性能研究

发布时间：2018-04-18 13:33

本文选题：超级电容器 + 过渡金属氧化物　；参考：《哈尔滨工程大学》2014年博士论文

【摘要】：超级电容器(supercapacitors),又称电化学电容器(electrochemical capacitor),是一种介于传统静电电容器、二次电池和燃料电池之间的重要能量储存和转换装置。未来,超级电容器最为瞩目的发展就是做为动力电源用于电动汽车。目前,商业化的碳材料超级电容器比容量和能量密度较低(10 Wh·kg~(-1)),因而限制了它在交通运输领域的大面积应用。最近,人们为了获得更高的比容量和能量密度,纷纷将目光移向过渡金属氧化物超级电容器。近年来,大量的研究工作集中于导电集流体上直接生长纳米金属氧化物材料,这类无导电剂和无粘结剂的新型结构材料直接用作超级电容器电极,表现出了优异的电化学性能。本论文采用不同的方法在泡沫镍集流体上生长了CuO、Co_3O_4、Ni(OH)_2材料并将其直接作为超级电容器电极,针对CuO导电性差的问题进行了 Ag改性,最后,以Ni(OH)2/Ni-foam为正极,活性炭为负极,6mol·L~(-1)KOH为电解液,成功的组装了不对型超级电容器。通过XRD、SEM、TEM等技术对材料的微观结构和表面形貌进行了表征与分析,同时通过循环伏安测试,恒流充放电测试和交流阻抗测试对其电化学性能进行了研究。首先,我们采用氨水络合沉积法成功地在多孔泡沫镍集流体上直接生长了片状的单斜相CuO阵列,CuO阵列完全覆盖在泡沫镍骨架上,形成了均一的膜,厚度约为5μm。片状CuO由一些细小颗粒组成,颗粒大小约为24 nm。通过考察CuO/Ni-foam电极在不同浓度KOH电解液中的电化学行为,我们提出:CuO/Ni-foam电极作为超级电容器材料,在高浓度碱液中的赝电容主要来源于Cu~+/Cu~2+之间的法拉第反应。电化学研究表明:CuO/Ni-foam电极在6 mol·L~(-1) KOH电解液中电化学活性最高,比容量最大。在5 mA·cm~(-2)的充放电电流密度下,比容量高达569 F·g~(-1),当电流密度增大至30 mA·cm~(-2)时,比容量还保持在221F·g~(-1)。在10mA·cm~(-2)的充放电电流密度下循环测试500次,容量保持了82%。为了改善CuO的导电性,我们采用银镜反应对CuO/Ni-foam电极进行了 Ag改性。修饰后的Ag-CuO/Ni-foam电极在1 A·g~(-1)的充放电电流密度下,比容量高达689 F·g~(-1),较CuO/Ni-foam电极提升了 271 F·g~(-1),2000次循环测试后容量保持在426 F·g~(-1)。当电流密度增大至10 A·g~(-1)时,比容量还保持在299 F·g~(-1),最大能量密度为23.9 Wh·kg~(-1)。研究表明:Ag的修饰改善了电子在集流体和活性材料之间的传输路径,提高了CuO的利用率;同时,Ag-CuO/Ni-foam电极的电化学活性、可逆性、比容量、大倍率性能及能量密度也得到了大大的提升。另外,为了获得更高的比容量和能量密度,我们采用水热法在泡沫镍集流体上直接生长了尖晶石结构的Co_3O_4纳米线,纳米线完全覆盖在泡沫镍骨架上,长度约为1～2μm。纳米线由多孔的纳米粒子组成,颗粒大小约为10 nm。电化学研究表明:Co_3O_4/Ni-foam表现出了良好的电化学活性,在3.38A·g~(-1)的充放电电流密度下,比容量高达1019.58 F·g~(-1);当电流密度增大至33.80 A·g~(-1)时,比容量还保持在466.06 F·g~(-1),电荷传递电阻仅为0.31 Ω。在3.38 A·g~(-1)的充放电电流密度下循环1000次,容量保持率高达了 95%,表现出了优异的循环稳定性。此外,Co_3O_4/Ni-foam电极最大能量密度为28.6 Wh·kg~(-1),最高功率密度为7.6 kW·kg~(-1)。最后,采用氨水络合沉积法在泡沫镍集流体上生长了片状的β-Ni(OH)_2,Ni(OH)_2/Ni-foam电极具有较高的电化学活性和优异的电化学可逆性。在5 mA·cm~(-2)的充放电电流密度下,Ni(OH)_2/Ni-foam电极产生了 790.3 C·g~(-1)的比电量,比容量高达2258F·g~(-1);当电流密度增大至30mA·cm~(-2)时,比容量为1520F·g~(-1),仍保持了 67%。然后,以Ni(OH)_2/Ni-foam为正极,AC为负极,6mol·L~(-1)KOH为电解液,成功地组装了 Ni(OH)_2//AC不对称型超级电容器。Ni(OH)_2//AC超级电容器在6 mol·L~(-1) KOH电解液中能够在0～1.6 V可逆的循环,电荷传递电阻为24.1 Ω。在2 mA·cm~(-2)的充放电电流密度下,获得的最大比容量和能量密度分别为105.8 F·g~(-1)和37.6 Wh·kg~(-1)。在5 mA·cm~(-2)的电流密度下进行1000次重复充放电测试,容量保持了 92%,体现出优异的循环稳定性。
[Abstract]:The electrochemical properties of CuO , Co _ 3O _ 4 , Ni ( OH ) _ 2 materials in high - concentration alkaline solutions were studied by means of XRD , SEM and TEM . The Ag - CuO / Ni - foam electrode has been modified with Ag - CuO / Ni - foam electrode at a charge / discharge current density of 1 A 路 g ~ ( -1 ) . The specific capacity of Co _ 3O _ 4 / Ni - foam electrode has been increased by 271 F 路 g ~ ( -1 ) . The Ni ( OH ) _ 2 // AC super capacitor was successfully assembled with Ni ( OH ) _ 2 / Ni - foam as electrolyte . The maximum specific capacity and energy density were 105.8 F 路 g ~ ( -1 ) and 37.6 Wh 路 kg ~ ( -1 ) in 6 mol 路 L ~ ( -1 ) KOH electrolyte . The capacity of Ni ( OH ) _ 2 // AC super capacitor was 105.8 F 路 g ~ ( -1 ) and 37.6 Wh 路 kg ~ ( -1 ) respectively .

【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM53

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