钴酸镍纳米结构材料的合成及电化学性能研究

发布时间：2019-09-28 21:22

【摘要】：随着能源危机和环境污染的出现，开发清洁可再生资源和新能源是今后世界经济中最具有决定性影响的技术领域之一。锂离子电池在具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、质量轻、自放电率低和无污染等优点，在手机、笔记本电脑、数码相机等领域得到了广泛的应用并向电动汽车、空间技术、国防工业等领域发展。进一步提高性能和降低成本是锂离子电池发展和改进的主要方向，，其关键在于开发高性能和低成本的电极材料。电化学电容器是一种新型的能源装置，因其功率密度高和循环性能好等特点，不仅可以用于计算机等后备电源，还可以和锂离子电池组合作为电动汽车的动力电源系统，因此电化学电容器也是新型化学电源研究热点。本论文概述了电化学电容器和锂离子电池电极材料的最新研究进展，并采用电化学沉积法制备出钴酸镍电极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等测试方法对电极材料的形貌和微观结构进行分析，采用循环伏安法(CV)、恒流充放电和电化学阻抗(EIS)等测试方法对电极材料的电化学性能进行研究。主要内容概括如下： (1)以碳纤维布为基底，在硝酸镍和钴酸镍的混合溶液中，用电化学沉积法制备了NiCo2O4纳米片阵列，采用了XRD、SEM和TEM表征了电极材料的结构和微观形貌。XRD结果显示材料的衍射峰与钴酸镍(JCPDS No.73-1702)的标准峰相对应。SEM分析结果表明电极材料呈相互交错的纳米片阵列和这些纳米片的厚度大约10nm。这种独特的结构不仅提供了离子快速进出电极表面通道，而且可以充分利用电极材料的电活性位而发生氧化还原反应。通过TEM进一步观察发现，这些纳米片是由许多纳米小颗粒(直径约为5nm)组成的。用循环伏安和恒流充放电等电化学测试方法对其电化学性能进行研究。结果表明，所制地的钴酸镍电极材料展现出良好的电化学性能，在电流密度为2A/g时，其电极的比电容达到2506F/g，并且在10A/g的电流密度下经过3000次循环后，电极材料的容量能够保持80%的初始容量，表明此电极材料高的比容量和良好的循环稳定性，是一种具有潜在应用价值的电化学电容器电极材料。 (2)将上述通过电化学沉积法制备出的钴酸镍纳米片作为电极材料组装成锂离子电池进行性能测试。通过循环伏安、充放电性能测试及循环性能测试对其电化学性能作出分析。实验结果表明，发现其具有出色的循环性能和良好的高倍率性能。在电流密度为200mA/g时，首次放电容量为2147mAh/g，其库伦效率基本维持在99%，经过50次循环后，容量仍然保持在1502mAh/g，具有良好的电化学性能。这是因为钴酸镍纳米片一方面较大的比表面积提供大量的储锂位置，另一方面其独特的结构使得锂离子在其电解液中的渗透更加迅速和有利于循环的稳定性。 (3)在碳布上通过电化学沉积的方法制备出的石墨烯和钴酸镍的复合材料，并进行材料的表征和电化学性能的测试，其结果表明，该材料的形貌是一种独特的纳米片和石墨烯片的插层结构，有利于电子的传输和保持结构的稳定性。将是一种很有前途的电化学电容器的电极材料。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912

【参考文献】