铁（氢）氧化物柔性电极材料的制备及性能研究

发布时间：2018-11-02 10:29

【摘要】：下一代光电设备的发展,例如可卷曲显示屏、智能电子、记忆芯片和可穿戴设备,驱动了便携柔性的能量储存器件的技术研究。其中锂离子电池因具有高能量密度和大的输出电压,吸引了大量研究者的兴趣。而超级电容器,因具有高功率密度和超长使用寿命,也成为储能设备的另一个研究热点。铁(氢)氧化物资源丰富、成本低廉且对环境无害,而且理论容量高,在储能方面的应用具有良好前景。但是由于动力学的限制其导电性很差,并且在长时间充放电时材料体积膨胀导致稳定性差,所以铁氧基电极材料还不能满足实际需求。为了解决导电性和稳定性问题,我们在三维导电骨架上生长纳米材料,构建纳米三维整体式结构。首先分散性良好的纳米材料能够最大程度发挥其理论容量,其次,三维导电骨架能够提高其电子导电性和与电解液的渗透性,所以三维整体式结构有望改善铁(氢)氧化物的电化学性能。本论文主要展开了以下几个方面的工作：(1)通过水热法,以氯化铁为铁源,通过调控反应物的用量,在碳纤维布上直接生成出自组装的束状β-FeOOH纳米棒阵列(β-FeOOH/CC纳米棒阵列)。首先在富Cr的情况下有利于β-FeOOH纳米棒的生成,其次NO3-离子的加入促使β-FeOOH纳米棒分裂成束状,最终形成束状纳米棒的特殊形貌。这种形貌不仅增加了材料的比表面积而且可以缓解充放电循环体积碰撞造成的应力。另外,在保持反应物浓度比例不变的情况下,通过增大反应物的用量和调整碳布大小,可以实现扩大化制备,同时保持产物微形貌不变。(2)由于β-FeOOH晶体结构本身属于体心立方密堆积,比其它铁氢氧化物较为疏松,而且β-FeOOH/CC纳米棒阵列具有大比表面和多孔结构,当应用于锂离子负极材料时,β-FeOOH/CC电极显示了非常高的比容量,约2840 mA g-1 (2.21 mAhcm-2)。由于碳纤维布基底的高导电性,使得整体电极的倍率性能表现不俗,在10个倍率下(10 Ag-1),比电容仍然有568 mA g-1 (0.43 mAh cm-2),而且相比β-FeOOH粉末电极,P-FeOOH/CC整体电极的循环稳定性也得到提升。(3)上述制备方法只能得到FeOOH,如果要得到Fe2O3,必须经过后续煅烧。我们发现,通过进入MnOOH前驱体,可以在没有表面活性剂或催化剂的情况下,在碳布上一步合成Fe203超细纳米粒子。值得注意的是,MnOOH可以被Fe3’离子水解的产生的H’所溶解,而不会被最后的产物的成分产生影响。这里,MnOOH主要起到两个作用,一是在前期反应阶段,阻止FeOOH在碳纤维表面的生长,起到保护作用；二是在后期反应阶段,能被H+溶解,同时使得碳纤维表面原位酸性降低,促进剩余的Fe3’原位快速成核,一步生成Fe203,而且此时Fe3+浓度非常小,趋向于生成纳米小颗粒。最终在碳纤维表面得到致密且有序排列的粒径约为5 nm的Fe203纳米粒子。(4) Fe2O3/CC整体式材料具有非常大的比表面积319m2 g-1,而且具有微孔和介孔的分级孔洞结构。当直接用作超级电容器电极时,同时表面出电化学双层电容特性和氧化还原的赝电容特性,因而最大比电容可以达到1.66 F cm-2,而且在大电流充放电循环5000圈后,电容保留率仍然有88.6%。当组装成柔性固态对称电容器时,显示出非常突出的能量密度8.74mWh cm-3。
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【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54

【参考文献】