【摘 要】
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超级电容器作为一种新型的储能元件,以其快速充放电、超长循环寿命、高功率密度和对环境无污染等优势在新能源汽车、智能工业等领域都得到了普遍应用。但是,能量密度低的缺点严重阻碍了它的商业化应用发展。因此,为了提高超级电容器的能量密度,开发新的高离子运输性能和高电导率的电极材料将成为解决这一问题的关键。在众多电极材料中,过渡金属氧化物具有高的理论比容量和可变离子价位,是很有使用前景的电极材料。而单金属氧化
【基金项目】
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课题组主持的国家自然科学基金项目;
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超级电容器作为一种新型的储能元件,以其快速充放电、超长循环寿命、高功率密度和对环境无污染等优势在新能源汽车、智能工业等领域都得到了普遍应用。但是,能量密度低的缺点严重阻碍了它的商业化应用发展。因此,为了提高超级电容器的能量密度,开发新的高离子运输性能和高电导率的电极材料将成为解决这一问题的关键。在众多电极材料中,过渡金属氧化物具有高的理论比容量和可变离子价位,是很有使用前景的电极材料。而单金属氧化物导电性差、实际比电容值低的缺点限制了其应用性。双金属氧化物因高比电容值、多金属离子特性且导电性良好等优点,所以近年来受到科研工作者的高度关注。本论文以钴基双金属氧化物为研究对象,选择CoMoO4,ZnCo2O4两种不同材料,使用不同导电集流体构件不同结构的电极材料,进而来提升材料的电化学性能。具体研究内容如下:(1)利用水热法合成了 CoMoO4纳米针林结构电极材料,研究了材料的生长机理。电化学性能测试结果表明反应时间为10 h的CoMoO4材料具有高的比电容(2100 F/g)。10h反应时间下的表现出了良好的电化学性能。为探索该电极材料的应用可行性,把该样品和活性炭组装成非对称超级电容器件,经过测试其能量密度可达到65.42 Wh/kg。(2)为了进一步探索反应条件对电极材料的形貌、电容性能的影响。使用简单的水热法合成了片包覆线状CoMoO4材料、线状CoMoO4材料和片状CoMoO4材料。电化学性能测试结果表明,片包覆线状CoMoO4材料具有更高的电容性能。片包覆线状Co MoO4电极材料在电流密度为1 A/g条件下,具有1960 F/g的比电容。在3 A/g电流密度下进行了 10000次循环充放电测试,其电容保留率为98.79%。为了探究所制备的样品是否具有潜在的储能应用前景,组装了以片包覆线状CoMoO4材料为正极材料,活性炭为负极材料的非对称超级电容器器件。该非对称超级电容器件能量密度为55.47 Wh/k g,功率密度为12000 Wh/kg,循环10000次恒流充放电后电容保持率为92.86%。(3)通过简单的水热法和热处理,合成了多孔的ZnCo2O4纳米片电极材料。这些纳米片显示出的多孔结构相互连接形成大量的孔隙,这有助于电解质离子和电子在材料界面和表面之间的传递。电化学性能测试表明,ZnCo2O4纳米片电极在电流密度为1 A/g时,具有较高的比电容为1790 F/g,在电流密度为2 A/g的情况下,对ZnCo2O4纳米片电极进行循环充放电测试10000次,其保持了 99.4%的初始比电容,有较好的循环稳定性。以多孔的ZnCo2O4纳米片为正极,以碳纳米管为负极,组装了非对称超级电容器器件。该器件在1.6 V的高电位窗口下展现出高能量密度为47.1 Wh/kg(功率密度为800 W/kg),高功率密度为12000 W/kg(能量密度为28.3 Wh/kg)。
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