镍纳米线基复合电极材料的超级电容性能研究

发布时间：2020-05-12 10:59

【摘要】：超级电容器因其功率密度高、充放电速度快、寿命长、使用安全等优点被认为是最有前景的储能器件之一。然而,超级电容器的能量密度相对二次电池低一个数量级,这一缺点限制了其在各种电子器件中的广泛应用。合理设计基于过渡金属化合物活性材料的高效新型电极结构是提高能量密度的有效方式。然而,基于高赝电容机理法拉第氧化还原反应伴随循环稳定性的损失是限制其广泛应用的一大难题。设计导电集电极负载高赝电容活性材料的复合电极是解决这一问题的有效途径。本论文构造出大比表面积镍纳米线(NiNW)负载Ni-Co氧化物/氢氧化物纳米阵列复合电极,并研究了该结构超长循环稳定性的储能机理。主要研究内容如下:1.采用温和的水浴法合成出镍纳米线(NiNW),并研究了不同实验条件(反应温度、Ni2+浓度及溶液体积占比等)对NiNW尺寸的影响。结果表明溶液体积占比(溶液体积:容器容积)是控制NiNW不同尺寸的关键因素。同时还基于NiNW的制备方法构造出镍纳米线/泡沫镍(NiNW/NF)复合基底,结果表明不同形貌的镍钴化合物均能高度均匀且牢固的生长在NiNW上,证实了 NiNW/NF复合结构可以作为基底用于构造出高性能的三维(3D)分层核-壳结构。2.以上述NiNW/NF复合结构作为基底构造出3D分层的NiNW核@NiCo2O4壳/NF复合电极。通过控制退火条件,实现了 NiNW/NF复合结构表面介孔NiCo2O4纳米棒的形成。该结构表现出了高的比电容量(5mAcm-2时的比电容7.44Fcm-2)、良好的循环性能(1500循环后比容量保持74.08%)以及优异的倍率特性(100mAcm-2时比电容为6.55 F cm-2,是 5 mA Ccm-2 时的 88.04%)。3.以NiNW/NF复合结构作为基底构造出3D多层次镍纳米线@镍钴双氢氧化物/泡沫镍(NiNW@NiCo-DH/NF)复合电极。相比不含镍纳米线组分的NiCo-DH/NF,所获得的NiNW@NiCo-DH/NF复合电极的电化学性能明显改善,该复合电极表现出高面积比电容(5mAcm-2时达2.25 Fcm-2)、优秀的倍率特性(1.65 F cm-2 at 100 mAcm-2)和突出的循环稳定性(20000循环之后为初始值的151.2%)。对该复合电极超长循环寿命的储能机理的研究表明在充放电过程中镍纳米线表层形成高的赝电容NiOOH是长寿命的主要贡献。
【图文】：

曲线图,二次电池,一次能源消费,能量存储

随着世界人口膨胀和经济快速发展，，人类社会对能源的需求与日俱增，加剧了化石逡逑能源的过度消耗［１＿２］。２０１７年７月５日，第６６版《ＢＰ世界能源统计年鉴》发布的世界一逡逑次能源消费占比曲线图（图１－１所示）可以看出当今能源消耗结构中化石能源依旧占据主导逡逑地位。其中，２０１６年石油消耗约占世界一次能源消费的三分之一，煤炭消耗占比为２８．１％，逡逑天然气的消耗量也高达世界一次能源消费的四分之一［３］。然而，这些化石燃料的使用不仅会逡逑大幅提升能源成本，而且会伴随着环境问题的产生，如温室气体的排放等［４，５］。为了促进能逡逑源消耗的可持续发展和减少温室气体的排放量，对可再生清洁能源（如风能、太阳能、潮逡逑汐能等）的开发利用显得尤为迫切和重要［６］。但是，由于这些可再生清洁能源对环境条件的逡逑依赖程度十分强烈，以及它们十分不均的地理分布，极大程度地限制了人们对其直接利用。逡逑为了缓解这一问题，急需一种高效的能量存储与转换器件用以满足新型能源的存储［７＿９］。同逡逑时

曲线图,储能系统,超级电容器,对比图

随着世界人口膨胀和经济快速发展，人类社会对能源的需求与日俱增，加剧了化石逡逑能源的过度消耗［１＿２］。２０１７年７月５日，第６６版《ＢＰ世界能源统计年鉴》发布的世界一逡逑次能源消费占比曲线图（图１－１所示）可以看出当今能源消耗结构中化石能源依旧占据主导逡逑地位。其中，２０１６年石油消耗约占世界一次能源消费的三分之一，煤炭消耗占比为２８．１％，逡逑天然气的消耗量也高达世界一次能源消费的四分之一［３］。然而，这些化石燃料的使用不仅会逡逑大幅提升能源成本，而且会伴随着环境问题的产生，如温室气体的排放等［４，５］。为了促进能逡逑源消耗的可持续发展和减少温室气体的排放量，对可再生清洁能源（如风能、太阳能、潮逡逑汐能等）的开发利用显得尤为迫切和重要［６］。但是，由于这些可再生清洁能源对环境条件的逡逑依赖程度十分强烈，以及它们十分不均的地理分布，极大程度地限制了人们对其直接利用。逡逑为了缓解这一问题，急需一种高效的能量存储与转换器件用以满足新型能源的存储［７＿９］。同逡逑时
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53

【参考文献】