超级电容器用过渡金属氧化物及其复合物的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:buhao00155
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超级电容器是介于静电电容器和二次电池之间的一种新型的储能器件,其具有功率密度高、充放电时间短和使用寿命长等优点,近来已经成为电化学储能领域的研究热点。具有典型赝电容行为的过渡金属氧化物具有理论比电容高、电化学可逆好和环境友好等特点,有望成为下一代超级电容器电极材料。但是由于其导电性差,过渡金属氧化物的大电流下电化学利用率低、倍率性能较差。基于以上分析,本论文通过掺杂、与高电导率的碳材料或金属基底进行复合等方法改善金属氧化物的电化学性能。具体研究内容如下:(1)以5-磺基水杨酸(SSA)为配体水热法制备Ni-Co双氢氧化物(Ni-Co LDHs)前驱体,然后在空气中热解得到三维花状结构的Ni-Co复合氧化物电极材料。Co3O4的掺杂增加了电极的导电性,并且Ni-Co复合氧化物具有大的比表面积和丰富的介孔孔道。将Ni-Co复合氧化物作正极,分别以活性炭或介孔碳作负极组装成水系混合型超级电容器。电化学测试结果表明:以介孔碳为负极的电容器倍率性能更加优异,而以活性炭为负极的电容器则具有更高的能量密度。Ni-Co氧化物//AC混合型电容器的比电容和能量密度分别可以达到50.6Wh·kg-1。该混合体系经过1000次循环后,比容量保持率为73%。(2)通过两步法在Ni网基底上生长有序的Co3O4纳米线阵列,Ni网基底的使用大幅提高了电极的导电性和离子传输速度。由于Co3O4纳米线阵列直接生长在三维多孔的Ni网骨架上,所制备的Ni-Co3O4电极具有独特的三维多级孔道结构。该电极在2A·g-1电流密度下的比电容为1160F·g-1,20A·g-1的电流密度下的比电容仍保持为820F·g-1。并且,其在8A·g-1电流密度下循环5000次,比电容衰减仅为9.6%。以Co3O4纳米线阵作正极,活性炭作负极组成的混合体系的能量密度和功率密度分别达到37.8Wh·kg-1和19.5kW·kg-1。(3)采用静电纺丝的技术制备C-Co3O4复合纳米纤维,包覆在Co3O4纳米颗粒外层的碳纤维增强了复合物的导电性,改善了Co3O4的电化学利用率。通过调节前驱物溶液中聚合物与金属盐的比例,可以获得不同氧化物含量的C-Co3O4复合纳米纤维。并且,这些纳米纤维可以相互交联组成自支撑的C-Co3O4复合纳米纤维薄膜。这些薄膜电极具有较大的比电容、优异的倍率性能和良好的电化学稳定性。当Co3O4的质量分数为15.6wt.%时,Co3O4组分的比容量达到1730F·g-1,增加Co3O4的质量分数至35.9wt.%时,薄膜的比电容为556F·g-1
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