高性能钴铁双金属Ⅵ族化合物电极材料及新型电容器件构筑研究

发布时间：2020-05-31 18:32

【摘要】：近年来,随着世界经济的迅猛增长,传统化石能源受到了空前的消耗,除了其储量的大幅度减少外,更严重的是随之而来的环境污染问题,为此,环境的保护和能源的可持续发展成为目前世界各国所追求的目标。随着人类科技水平的不断提高,新能源的开发逐渐的引起了全球的关注,对其相应储能器件的研究也激发了全世界的热切关注。作为一种新型的储能器件,相比于传统的储能器件(电容器与蓄电池),超级电容器不仅拥有传统电容高功率密度而且还具备了电池高能量密度的特点。除此以外,快速充电,杰出的倍率特性以及安全无污染等特点更让超级电容器在储能领域有着前所未有的应用和发展前景。通过已有的研究我们发现,超级电容器件是否具有优异的性能大部分取决于其构筑材料,目前,人们对纳米材料进行了深入的研究,并且发现其在超级电容器发展过程中占据了极其重要的地位。而在众多合适的储能材料中,钻酸镍,钴酸铁,硫代钴酸镍,硫代钴酸铁等双金属Ⅵ族化合物由于具备了极高的比容量,杰出的导电性以及优异的氧化还原特性使其在超级电容的发展中备受瞩目。本文利用水热法制备了钴铁双金属Ⅵ族化合物(钴酸铁(FeCo2O4),硫代钴酸铁(FeCo2S4))和黑鳞-红磷-还原氧化石墨(BP-RP-rGO),此外,我们通过三电极系统对它们的电化学性能进行了分析研究,并对FeCo2S4与BP-RP-rGO构筑的新型超级电容器件进行了深入的研究,主要内容如下:(1)以泡沫镍作为导电基底,利用水热法,通过改变不同的反应时间来制备出不同微观结构的前驱体,然后通过退火最终制备出FeCo2O4纳米线结构,FeCo2O4纳米线@纳米片异质结构以及FeCo2O4分层纳米球结构。此外,我们研究了改变反应时间对FeCo2O4纳米结构的影响,并且进一步研究了不同反应时间合成不同FeCo2O4纳米结构的生长机理。我们将负载有活性材料的泡沫镍直接用于电化学测试,并发现相比于其他结构,在18 h条件下制备的FeCo2O4纳米线@纳米片异质结构电极展现出了最高的比容量,在2Ag-1的电流密度下比容量达到969 F/g,以及优异的导电性和循环充放电稳定性。(2)通过水热制备的方法,以泡沫镍作为导电基底,硫化钠(Na2S)作为离子交换过程的硫源,首先通过改变不同的反应时间制备出不同的前驱体,然后对前驱体进行硫化,最终制备出了 FeCo2S4纳米线结构以及FeCo2S4分层纳米球结构,我们发现相比于氧化物,硫化物的导电性和比容量等都得到了很大的提高,而相比于FeCo2S4分层纳米球结构,FeCo2S4纳米线结构在2 A g-1的电流密度下比容量达到3000 Fg 1,同时拥有着优异的倍率性能和良好的循环稳定性。(3)为了对双金属氧化物FeCo2O4、双金属硫化物FeCo2S4和BP-RP-rGO的实际应用能力进行深入分析和研究,我们制备了多组电容器件。首先,我们在95℃水浴环境下制备出PVA/KOH固态电解质。然后我们以FeCo2O4纳米线@纳米片异质结构作为对称超级电容器件的正极和负极,利用PVA-KOH凝胶电解质作为器件隔膜,制备出FeCo2O4//FeCo2O4全固态对称超级电容器件,并且成功点亮一个红色LED灯。接下来我们用FeCo2S4纳米线结构作为非对称超级电容器件正极,BP-RP-rGO三维复合结构和rGO作为负极,利用PVA-KOH凝胶电解质作为器件隔膜,成功的组装出BP-RP-rGO//FeCo2S4和rGO//FeCo2S4全固态非对称超级电容器件,以及其他三个全固态对称器件(FeCo2S4//FeCo2S4,BP-RP-rGO//BP-RP-rGO,rGO//rG(O)为对比样,我们发现 BP-RP-rGO//FeCo2S4相比于其他器件有着更大的电压窗口,更高的比容量以及更优异的功率密度和能量密度,在1 Ag4的电流密度下比容量达到333 F g-1,最大的能量密度达到29.304 Wh/kg-1,最大的功率密度达到3102.8Wkg-1。此外通过串联电容器件成功点亮十七个红色LED灯,为后续筑造更高容量以及结构的电容器件提供了实验支持。
【图文】：

１．２超级电容器的概述逡逑１．２．１超级电容器的分类逡逑如图１．３所示为超级电容的主要结构示意图ｍ。就目前来看，超级电容器可逡逑以按如下方式进行分类，如果按照电解液可以分为两类，比较常见的是水系电解逡逑液，通常是一定的超纯水和适量的Ｈ２ＳＯ４、ＮａｉＳＯｕ邋ＮａＯＨ或ＫＯＨ来配置出酸逡逑性，中性，碱性的电解液。而另一类便是有机电解液，通常来说他们之间的区别逡逑在于水系电解液电容的电压窗口明显低于有机电解液电容的电压窗口，与此同时，逡逑能量密度的高低也会在一定程度上受到不同电解液的影响。逡逑，：？…＜逦Ｂｏｌｔｓ逡逑ＰＴＦＥ邋Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邋ＰＴＦＥ逡逑１逦１邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ邋：逡逑＋邋＾逡逑＞？逦１邋Ｓｅｐａｒａｔｏｒ邋Ｉ邋劶逡逑Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邋￡逡逑图１．３超级电容器各部分组成结构示意图１３１逡逑如果按照电极材料以及其相应的储能机理进行分类［８１，依此又可以分为法拉逡逑第kw电容和双电层电容，如图１．４所示。其中双电层和传统电容有着类似的储能逡逑机理［９］

１．２超级电容器的概述逡逑１．２．１超级电容器的分类逡逑如图１．３所示为超级电容的主要结构示意图ｍ。就目前来看，超级电容器可逡逑以按如下方式进行分类，如果按照电解液可以分为两类，比较常见的是水系电解逡逑液，通常是一定的超纯水和适量的Ｈ２ＳＯ４、ＮａｉＳＯｕ邋ＮａＯＨ或ＫＯＨ来配置出酸逡逑性，中性，碱性的电解液。而另一类便是有机电解液，，通常来说他们之间的区别逡逑在于水系电解液电容的电压窗口明显低于有机电解液电容的电压窗口，与此同时，逡逑能量密度的高低也会在一定程度上受到不同电解液的影响。逡逑，：？…＜逦Ｂｏｌｔｓ逡逑ＰＴＦＥ邋Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邋ＰＴＦＥ逡逑１逦１邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ邋：逡逑＋邋＾逡逑＞？逦１邋Ｓｅｐａｒａｔｏｒ邋Ｉ邋劶逡逑Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邋￡逡逑图１．３超级电容器各部分组成结构示意图１３１逡逑如果按照电极材料以及其相应的储能机理进行分类［８１，依此又可以分为法拉逡逑第kw电容和双电层电容，如图１．４所示。其中双电层和传统电容有着类似的储能逡逑机理［９］
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O646.54;TM53

【参考文献】

相关硕士学位论文 前3条

1 张震;镍基材料及其石墨烯复合物的超级电容特性研究[D];湘潭大学;2016年

2 田姗姗;四氧化三钴作为超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究[D];吉林大学;2015年

3 刘学军;电化学沉积石墨烯及其电容特性研究[D];湘潭大学;2014年

本文编号：2690282