氢氧化镍基复合电极材料的制备及其电化学性能的研究

发布时间：2017-10-04 22:27

  本文关键词：氢氧化镍基复合电极材料的制备及其电化学性能的研究

  更多相关文章： 超级电容器 等离子体增强化学气相沉积 恒电流电沉积 垂直定向石墨烯（碳纳米墙） 氢氧化镍 氢氧化钴 预处理

【摘要】：随着人们对绿色能源和生态环境两方面的重视，超级电容器（Supercapacitor，SC）——一种新型储能器件，日益受到关注。其电荷存储能力远高于物理电容器，而充放电速率和效率优于一次或充电电池。研发兼具高的能量密度和功率密度的超级电容器是当代科学工作者所聚焦的工作。而提高超级电容器的性能与电极材料、电解液和隔膜的种类及性能密不可分。 赝电容是通过电活性物质在电极表面发生高度可逆的氧化还原反应来完成能量存储的。与电极/电解液界面电荷的单纯静电累积产生双电层电容相比，赝电容器具有相对高的能量密度和功率密度，尤其当电极材料为稀贵金属氧化物如RuO2时。实现双电层电容的电极材料通常是碳，而赝电容电极材料主要为过渡族氧化物或氢氧化物，以及导电聚合物。近年来，从轻质、低成本和高性能储能器件的应用要求出发，尤其是随着便携式电子器件的快速发展和电动汽车电源系统的不断提升，在全世界范围内掀起了对其它非贵金属氧化物或氢氧化物作为电极材料的研究。其中氢氧化镍（Ni(OH)2）具有高的理论比电容和价格低廉的特点，但是导电性不佳，而且在充放电过程中存在稳定性降低的问题，限制了这种赝电容材料的推广应用。纳米碳材料石墨烯具有许多优异的性能，如高的导电性、导热性和化学稳定性，而且单层石墨烯理论比表面积接近于3000m2/g，理论比电容高于500F/g。将石墨烯与Ni(OH)2加以复合，有望产生协同效应，获得新型、高性能的超级电容器电极。此外，针对单一氢氧化物活性电极材料存在的稳定性差的弊端，还可以通过添加多元氢氧化物/氧化物研究解决,同时提高Ni(OH)2的利用率、减少电化学活性物质用量，提高比电容，建立一种混合电极体系，使电极材料在保持其自身高电容性能的同时兼具有良好的稳定性能。 采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD）的方法，以泡沫镍（Ni Foam，NF）作为生长碳材料的基底和超级电容器的集电极，通过调控沉积条件，分别获得了水平和竖直生长（碳纳米墙）形貌的石墨烯纳米碳材料（分别表示为HG和VG）；以HG/NF和VG/NF为基底，利用电化学沉积技术，生长Ni(OH)2纳米片多孔薄膜，制备复合电极材料。电化学测试结果表明，水平生长的石墨烯纳米片基底上电化学沉积的Ni(OH)2虽然具有极好的循环稳定性，但比电容限制在了2000F/g以下；而竖直定向生长的石墨烯纳米片基底上生长的Ni(OH)2的比电容值虽然高达2539F/g（在电流密度为2.3A/g的条件下），但是循环稳定性却被大大削减。因此，本论文主要以Ni(OH)2/碳纳米墙/NF作为电极材料体系，在保持其高比电容的同时，同时具有与Ni(OH)2/HG/NF复合材料相匹敌的稳定性，从而提高超级电容器电极的综合电化学性能。开展的具体研究工作如下： 首先利用PECVD方法制备碳纳米墙，沉积时间为30min，并将其作为电化学沉积Ni(OH)2的基底，通过以电沉积时间为变量，从而找到Ni(OH)2与碳纳米墙的最佳质量比。结果表明电化学沉积时间为12min时，即当氢氧化镍的担载量在0.4mg左右时，生成的氢氧化镍为β相，在23.1A/g的电流密度下，比电容为1534F/g；电极经过2000次恒流充放电循环后，比电容降为原来的46%左右。 为了进一步提高复合材料电化学综合性能，在上述实验的基础上又分别采取掺钴和对基底进行脱气预处理的办法。实验表明：（1）当Co2+的摩尔含量为Ni2+的5%时，生成的是α-Ni(OH)2，呈现出厚度较为均匀的纳米薄片状结构，厚度约12nm，其性能最佳，其比电容可达2905F/g（23.1A/g电流密度下），经过2000次的循环充放电之后，其比电容保持率为69%；（2）对碳纳米墙基底进行脱气预处理后，获得了初始比电容值较低，但在电化学充放电过程的激活作用下，无论是在比电容还是在循环稳定性上都得到了极大提高的复合电极材料。
【关键词】：超级电容器 等离子体增强化学气相沉积 恒电流电沉积 垂直定向石墨烯（碳纳米墙） 氢氧化镍 氢氧化钴 预处理
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB331;TM53
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 超级电容器的简介12-25
• 1.2.1 超级电容器的定义12
• 1.2.2 超级电容器的分类及原理12-15
• 1.2.2.1 双电层电容器13-14
• 1.2.2.2 赝电容电容器14
• 1.2.2.3 混合超级电容器14-15
• 1.2.3 超级电容器的结构15-16
• 1.2.4 超级电容器的重要组成部分16-23
• 1.2.4.1 隔膜16-18
• 1.2.4.2 电解液18-19
• 1.2.4.3 电极材料19-23
• 1.2.5 超级电容器的主要功能23-24
• 1.2.6 超级电容器的应用24-25
• 1.3 选题依据25-27
• 第二章 实验仪器及方法介绍27-31
• 2.1 实验中所用到的试剂27-28
• 2.2 实验中所用到的仪器设备28-29
• 2.3 实验样品的制备29-30
• 2.3.1 泡沫镍的预处理29
• 2.3.2 碳纳米墙的制备29
• 2.3.3 电极的预处理29
• 2.3.4 电解液的配制29
• 2.3.5 Ni(OH)_2、Co(OH)_2的沉积原理29-30
• 2.4 实验样品的表征30-31
• 第三章 氢氧化镍/碳纳米墙复合电极材料的形貌优化31-41
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验方案32
• 3.3 实验表征及结果32-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 活性物质、碳纳米墙基底的处理对复合材料性能的影响41-59
• 4.1 通过掺杂实现电极材料电化学性能的优化41-50
• 4.1.1 引言41-42
• 4.1.2 实验方案42
• 4.1.3 实验表征及结果42-49
• 4.1.4 小结49-50
• 4.2 通过基底预处理实现电极材料电化学性能的优化50-59
• 4.2.1 实验方案50
• 4.2.2 实验表征与结果50-57
• 4.2.3 小结57-59
• 第五章 总结59-61
• 参考文献61-69
• 作者在校期间所取得的科研成果69-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 叶代启,梁红;高性能MH/Ni电池正极助剂研究[J];电池;1998年01期

2 袁安保,张鉴清,丁万春,成少安,曹楚南;金属钴对泡沫型镍电极及Ni/MH电池性能的影响[J];电化学;1999年03期

3 任晓敏;金政;秦川丽;刘羽熙;李博弘;王淑红;孙立国;;电沉积液中不同镍锌比对超级电容器正极材料Ni(OH)_2电容性能的影响[J];黑龙江大学自然科学学报;2009年05期

4 于维平;杨晓萍;孟令款;刘兆哲;;电沉积法制备掺杂钴的氢氧化镍电极材料及其容量特性[J];材料热处理学报;2005年06期

5 杨一明;于维平;;掺杂Co(OH)_2对超级电容器正极材料Ni(OH)_2性能的影响[J];材料热处理学报;2011年05期

6 邓莹;孙黎黎;;简析超级电容器行业现状、前景与进入壁垒[J];科技创业月刊;2012年06期

，

本文编号：973247