多元镍钴化合物电极材料的制备及其电化学储能研究

发布时间：2017-10-20 23:00

  本文关键词：多元镍钴化合物电极材料的制备及其电化学储能研究

  更多相关文章： 镍钴硫化物 镍钴钼酸盐 电极材料 锂离子电池 超级电容器

【摘要】：近年来,3d过渡金属氧化物因其具有较高理论容量成为锂离子电池和超级电容器备受关注的一类电极材料,其中以Ni和Co的氧化物最为引人注目,但是Ni和Co的氧化物电导率不高,导致其循环性能和倍率性能较差,是阻碍他们应用的关键科学问题。研究发现,将两种或两种以上的金属元素复合成多元金属氧化物,能减小材料的禁带宽度,提高电子电导率。由于Ni、Co的物化性质相似,电化学窗口相近,因此将Ni、Co复合成双金属化合物是可行的,为解决过渡金属氧化物循环性能和倍率性能不足的问题提供了一条新的途径。电极材料的形态和尺寸是影响其电化学性能的一个重要因素,将电极材料设计成特殊的纳米结构,能缩短离子在活性材料内的扩散路径,减小其迁移阻力,提高离子电导率,从而改善锂电池和超级电容器的电化学性能。因此,本文通过将Ni、Co复合形成双金属硫化物和氧化物,并配合设计新颖的纳米材料结构,以提高电极材料的电导率,进而改善其锂电池性能和赝电容性能,本文的研究内容如下:采用两次水热法和水热-高温煅烧处理在泡沫Ni上分别生长了NiCo2S4纳米管阵列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列。NiCo2S4纳米管的内/外径为~50/100 nm,管长达~2μm,管壁厚20—30 nm,并呈现出一种有序的、高电导率的和大比表面的电极材料结构。NixCo1-xMoO4材料的晶体结构和微观形貌与Ni的相对含量有关。在晶体结构上,当x=0和0.25时,NixCo1-xMoO4材料为α/β-CoMoO4结构;当x=0.50、0.75和1.00时,则为α/β-NiMoO4结构。在微观形貌上,NixCo1-xMoO4材料呈二维纳米片状生长在泡沫Ni上,构成了一种有序的三维网络阵列结构。当Ni的相对含量改变时,纳米片的尺寸、厚度和片间孔隙等微结构均随之规律性变化。将NiCo2S4纳米管阵列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列作为锂离子电池阳极材料进行研究,发现NiCo2S4纳米管阵列和Ni0.50Co0.50MoO4纳米片阵列表现出优异的锂电池性能,包括高的实际容量、优异的循环稳定性和倍率性能。对于NiCo2S4纳米管阵列,在0.2C倍率的50次循环中,显示出720 mAh g-1的平均放电容量,稍大于NiCo2S4的理论容量(703 mAh g-1),当4C倍率测试后,电流密度恢复至0.2C,比容量仍为650 mAh g-1,达到初始0.2C下容量的93%。CV测试表明,NiCo2S4材料的电化学反应包含Ni、Co两部分的电化学反应行为。对于Ni0.50Co0.50MoO4纳米片阵列,在0.2C倍率下,其表现出与CoMoO4(86%)相当的循环性能,50次循环后的容量保持为89%,远高于NiMoO4的37%;而且拥有1100 mAh g-1的平均放电容量,比CoMoO4阵列(850 mAh g-1)提升了~250 mAh g-1。4C倍率下,Ni0.50Co0.50MoO4阵列的放电容量仍为828 mAh g-1,占CoMoO4理论容量的85%,当电流密度恢复至0.2C,比容量为初始0.2C倍率的81%,显示出优异的倍率性能。CV曲线揭示,Ni、Co和Mo均能与Li发生电化学反应,对电池的容量有贡献。利用三电极体系对NixCo1-x MoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列/泡沫Ni复合材料进行超电容性能研究。NixCo1-xMoO4阵列的比电容、循环性能以及倍率性能均与Ni的相对含量有关。CV测试证实,NixCo1-xMoO4阵列的比电容主要归因于Ni和Co与OH-的法拉第赝电容反应行为,Ni的相对含量增加有助于NixCo1-xMoO4阵列比电容的提升。在4000次循环过程中,Ni0.50Co0.50MoO4和Ni0.75Co0.25MoO4阵列的电容表现出相似的线性变化,容量保持率分别为83%和85%,与CoMoO4阵列的86%大致相当;但第4000次循环的比电容(分别为1072和1137 F g-1)明显高于CoMoO4阵列的940 F g-1,表现出增强的充放电性能和循环稳定性。在20 mA cm-2倍率测试后,电流密度恢复至2 mA cm-2,Ni0.50Co0.50MoO4阵列的比电容仍为初始2 mA cm-2下的92%,显示出优异的倍率性能和循环稳定性。
【关键词】：镍钴硫化物 镍钴钼酸盐 电极材料 锂离子电池 超级电容器
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-31
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池概述12-19
• 1.2.1 锂离子电池发展现状12-13
• 1.2.2 锂离子电池工作原理13-14
• 1.2.3 锂离子电池及其电极材料电化学性能指标14-15
• 1.2.4 影响电极材料性能及其应用的因素15-16
• 1.2.5 锂离子电池负极材料研究进展16-19
• 1.3 超级电容器概述19-28
• 1.3.1 超级电容器发展简史19-20
• 1.3.2 超级电容器工作原理20-22
• 1.3.3 超级电容器及其电极材料的电化学性能指标22-24
• 1.3.4 影响电极活性材料及其应用的因素24
• 1.3.5 超电容器电极材料的研究进展24-28
• 1.4 多元金属化合物电极材料28-29
• 1.4.1 锂离子电池负极材料28
• 1.4.2 超级电容器电极材料28-29
• 1.5 本论文的立题依据及研究内容29-31
• 1.5.1 立题依据29
• 1.5.2 研究内容29-31
• 第2章 实验原理与方法31-36
• 2.1 原材料与仪器设备31-32
• 2.1.1 化学试剂及原材料31
• 2.1.2 实验仪器31-32
• 2.2 材料表征方法32-33
• 2.2.1 X射线衍射光谱32
• 2.2.2 扫描电子显微镜和能量分散谱仪32-33
• 2.2.3 比表面及孔径分析仪33
• 2.3 电化学测试方法33-36
• 2.3.1 循环伏安曲线33-34
• 2.3.2 恒流充放电测试34
• 2.3.3 电化学阻抗谱34-36
• 第3章 多元镍钴化合物制备与表征36-45
• 3.1 引言36-37
• 3.2 多元镍钴化合物制备37-38
• 3.2.1 泡沫Ni集流体37
• 3.2.2 镍钴硫化物制备37
• 3.2.3 镍钴钼酸盐制备37-38
• 3.3 多元镍钴化合物表征38-44
• 3.3.1 NiCo_2S_4表征38-41
• 3.3.2 Ni_xCo_(1-x)MoO_4表征41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 多元镍钴化合物锂电池性能研究45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 半电池装配45-46
• 4.3 锂电池性能研究46-56
• 4.3.1 NiCo_2S_4纳米管阵列锂电池性能46-51
• 4.3.2 Ni_xCo_(1-x)MoO_4纳米片阵列锂电池性能51-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 镍钴钼酸盐超电容特性研究57-63
• 5.1 引言57
• 5.2 三电极体系57-58
• 5.3 Ni_xCo_(1-x)MoO_4超电容性能研究58-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第6章 结论与展望63-65
• 6.1 结论63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-75
• 攻读学位期间研究成果75-76
• 致谢76

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本文编号：1069834