过渡金属氢氧化物的形貌控制及电化学性能研究

发布时间：2019-02-22 12:27

【摘要】：超级电容器是一种介于二次电池和物理电容器之间的新型储能器件,应用前景广阔。电极材料作为关键部件直接影响着超级电容器的比电容量、倍率放电性能及稳定性等性能,成为研究的重点。过渡金属氢氧化物具有理论容量高、电化学活性高、成本低等诸多优点而成为电极材料研究的热点。为获得高性能的超级电容器电极材料,本论文采用水热法合成纳米镍、钴及其复合氢氧化物等电极材料。通过调控反应条件,获得不同形貌结构的镍、钴及其复合氢氧化物电极材料。采用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、比表面积分析仪(BET)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)等物理表征手段表征材料的形貌与结构,并利用电化学工作站和蓝电电池充放电仪评价电极材料的电化学性能。调变水热反应温度、反应时间、沉淀剂的类型、表面活性剂的种类及浓度,结合物理表征和电化学表征结果,分析了各种因素对材料结构和性能的影响,提出不同形貌结构的形成机理。主要内容简述如下:1.采用水热法,以表面活性剂CTAB为模板剂合成了形貌、尺寸均一的氢氧化钴纳米线、纳米立方电极材料。通过控制反应体系的表面活性剂(CTAB)浓度、水热反应时间等因素,控制合成出不同形貌、尺寸氢氧化钴纳米材料,研究并阐述了不同形貌的形成机理;通过电化学测试评价了氢氧化钴电极材料的电化学性能。结果显示,氢氧化钴纳米线电极材料在0.5 A/g电流密度时的比容量为522 F/g;由于纳米线结构的稳定性,氢氧化钴电极材料与活性炭组装的非对称超级电容器表现出超长的循环寿命。2.为了获得利于电子离子传输的电极材料,我们合成了花状结构的氢氧化镍电极材料并研究了纳米花结构的形成机理。结果表明,这些由六边形β相氢氧化镍纳米片堆积而成的纳米花结构是由于水热过程中的溶解-再结晶和自组装作用形成的。由于电极材料的导电性好,纳米片堆积形成的介孔结构有利于离子传输,氢氧化镍电极材料在2 A/g电流密度时的比容量高达2653.2 F/g。3.为了充分发挥镍钴材料各自优势,利用钴、镍复合材料的协同效应。本文通过调控不同镍钴比例获得了不同纳米花结构的镍、钴复合氢氧化物电极材料。同时,论文详细研究了氢氧化镍钴纳米花型结构的形成机理。为评价电极材料的电容性能,以Ni_0.28Co_0.72(OH)_2材料为正极,活性炭为负极组装了非对称超级电容器,其在80.5W/kg功率密度时的能量密度为19.4 Wh/kg。4.为了进一步提高氢氧化镍电极材料的导电性,本文合成了氢氧化镍/氧化石墨烯(GO)复合电极材料。为增强氢氧化镍与GO的结合强度,提高材料的导电性,Hummers’法制备的GO经过二次氧化处理后作为载体,通过水热法制备了功能化GO“锚固”负载氢氧化镍复合电极材料,二次氧化GO担载型氢氧化镍复合电极材料表现出更优的比电容量,倍率性能及稳定性。
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【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53

【参考文献】