高性能镍基超级电容器电极材料的制备研究

发布时间：2017-09-03 03:13

  本文关键词：高性能镍基超级电容器电极材料的制备研究

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【摘要】：镍基材料因其拥有较高的理论比电容量、良好的循环寿命、经济环保等优点而被广泛应用在替代传统贵金属(RuO2、IrO2等)来制备超级电容器电极材料。阳极氧化法作为一种新型的制备镍基电极材料的方法,其制备过程灵活简单,制备出的电极材料为纳米的多孔结构,性能优异。本课题组采用阳极氧化法制备的Ni F2-Ni(OH)2海绵状多孔膜(简称PNC)比电容量较高,然而其循环寿命和充放电速率尚有待改善,因此本论文的研究目标有如下两个:(1)在不降低PNC比电容量的基础上改善其循环寿命;(2)进一步提高电极材料的充放电速率。本文通过研究分析PNC充放电过程中膜层的结构、形貌与成分的变化发现:由Ni F2转化生成的Ni(OH)2与阳极膜结合不牢固和充放电过程中膜层颗粒长大(比电容量下降)是导致PNC电容量衰减的根本原因。镍基材料导电性不好是导致充放电速率不高的关键因素。为了消除NiF2对电极材料循环寿命的不利影响,本文对PNC进行了一系列退火处理,研究发现退火温度必须≥400℃,NiF2才能完全转化成NiO。阳极氧化膜在400℃下退火处理1h后,在100m V/s的扫描速率下经2000次循环伏安测试,容量无任何衰减,但是比电容量有所下降。接着对退火实验进行优化,当样品在600℃的高温下短时退火4min,PNC转变成多孔结构的NiO(简称NNO),其比电容量与PNC相当,NNO在33.33A/g的电流密度下经2000次恒流充放电测试,容量呈现缓慢增长的趋势,变化较为稳定。虽然NNO的性能较好,但是其充放电速率较之PNC并没有太大的改善。本文采用水浴处理对NNO进行Co的掺杂来改善镍基阳极氧化膜的导电性,以达到提高充放电速率的目的。制备了纳米多孔结构的Ni-Co电极材料(简称NNO/Co),其比容量高达1411.9F/g(100m V/s),经过2000次CV测试后,容量无任何衰减,体现了优异的循环使用寿命。然而仅仅在充放电初始阶段,NNO/Co的充放电速率稍有改善,随着充放电的进行,其充放电速率并没有得到提高,具体原因和改进措施还有待进一步探讨研究。
【关键词】：超级电容器 阳极氧化 退火 纳米多孔NiO Co掺杂
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM53
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 纳米镍基材料的广泛应用11-15
• 1.1.1 超级电容器电极材料11-12
• 1.1.2 锂离子电池电极材料12-13
• 1.1.3 镍氢电池（Ni/MH）正极材料13-15
• 1.1.4 甲醇电催化15
• 1.2 镍基电极材料作为超级电容器应用的储能机理15-17
• 1.3 超级电容器镍基电极材料的制备方法及发展状况17-19
• 1.4 阳极氧化法制备纳米多孔镍基电极材料的优势及影响因素19-22
• 1.4.1 阳极氧化法制备纳米多孔镍基电极材料的优势19-20
• 1.4.2 影响镍基电极材料的阳极氧化成膜因素20-22
• 1.5 镍基电极材料的改性处理手段22-24
• 1.5.1 退火处理22
• 1.5.2 碳包覆处理22-23
• 1.5.3 制备双金属复合电极材料23-24
• 1.6 本课题的研究目标与研究内容24
• 1.7 本课题的研究意义24-25
• 第二章 实验材料设备与研究方法25-30
• 2.1 实验材料及化学试剂25
• 2.2 实验仪器设备25-26
• 2.3 电极材料的阳极氧化制备26-27
• 2.3.1 镍片基材的前处理26
• 2.3.2 阳极氧化膜的制备过程26-27
• 2.3.3 氧化膜退火组合实验27
• 2.3.4 Co元素的掺杂及性能的研究27
• 2.4 样品的微观形貌与结构表征27-28
• 2.5 样品的相结构与化学成分分析28
• 2.6 样品电化学性能测试方法及设备28-30
• 2.6.1 电极材料的循环伏安测试（CV）28-29
• 2.6.2 恒流充放电测试29
• 2.6.3 交流阻抗测试（EIS）29-30
• 第三章PNC电容量衰减机理的探讨及退火组合实验30-42
• 3.1 镍基电极材料容量衰减的原因探讨30
• 3.2 PNC容量衰减实验分析30-36
• 3.2.1 PNC不同充放电次数下的循环伏安（CV）对比30-31
• 3.2.2 PNC不同充放电次数下阳极膜层的EDS对比31-32
• 3.2.3 PNC不同充放电次数下阳极膜层的XRD与SEM对比32-36
• 3.3 退火参数的选择及电化学性能测试36-38
• 3.3.1 PNC的DSC与TG分析36
• 3.3.2 退火组合实验及其电化学性能测试36-38
• 3.4 不同退火条件下阳极膜的形貌（SEM）和成分分析38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第四章 退火工艺的优化及性能的测试分析42-55
• 4.1 退火工艺的优化及高温短时退火43
• 4.2 高温短时退火参数的选择及电化学性能测试43-49
• 4.2.1 退火参数的选择43-46
• 4.2.2 NNO（600℃/4min）电化学性能的表征测试46-49
• 4.3 NNO（600℃/4min）提高电极材料充放电速率的机理探讨49-53
• 4.3.1 NNO（600℃/4min）与PNC/400℃的XRD与XPS分析49-50
• 4.3.2 NNO（600℃/4min）与PNC/400℃的Raman分析50-51
• 4.3.3 NNO（600℃/4min）的TEM分析51-52
• 4.3.4 NNO（600℃/4min）的BET分析52-53
• 4.3.5 NNO（600℃/4min）的FTIR分析53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章Co的掺杂及性能的测试表征55-61
• 5.1 水浴处理掺杂Co元素实验分析56
• 5.2 阳极膜的电化学性能表征56-58
• 5.2.1 循环伏安（CV）曲线的形状变化特征分析56-57
• 5.2.2 NNO/Co的循环伏安测试及比电容量变化趋势分析57-58
• 5.3 阳极膜CV测试前后的EDS测试分析58-59
• 5.4 阳极膜CV测试前后的SEM测试分析59-60
• 5.5 本章小结60-61
• 全文总结61-63
• 一、总结61-62
• 二、工作展望62-63
• 参考文献63-72
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果72-73
• 致谢73-74
• 附件74

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本文编号：782510