基于石墨毡柔性基质的CO2(OH)2CO3电极制备改性及其超容性能研究

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超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件。随着电化学储能器件的微型化、智能化和便携化发展,柔性超级电容器的研发成为大势所趋。作为超级电容器关键组分的电极材料无疑是研究的重点,因此选择合适的柔性集流体、设计组分合理和结构稳定的活性物质来制备高性能柔性电极是该领域研究的关键所在。本文以柔性导电石墨毡(GF)为基质,通过溶剂热法直接原位生长碱式碳酸钴(Co2(OH)2CO3),再对其表面电沉积磷化镍(Ni2P)改性,期望提高复合电极材料的比容量和倍率性能。具体研究内容如下:(1)Co2(OH)2CO3@GF 电极材料的制备。SEM、FTIR、XRD 等表征方法说明本文成功合成了生长在石墨毡上的具有纳米须阵列结构的Co2(OH)2CO3。通过调节水热温度、反应物配比及溶剂中醇水体积比来优化材料的电化学性能,用三电极体系进行测试:电极在电流密度为1 mA cm-2时的比容量为1022 mF cm-2;当电流密度增加20倍后,其倍率性为47.0%;在20 mA cm-2的大电流密度循环3000次仍能保留91.7%的比容量,表现出良好的循环稳定性。上述结果表明,Co2(OH)2CO3是一种有潜力的超级电容器电极材料。(2)Co2(OH)2CO3@GF的电镀Ni2P改性。通过在Co2(OH)2CO3表面电沉积Ni2P,制备了 Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF复合电极。采用SEM、TEM、XRD和XPS等表征分析证明了 Ni2P@Co2(OH)2CO3为具有壳核结构的纳米须阵列,非晶形态的Ni2P均匀包覆在Co2(OH)2CO3上。优化改性后的Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF电极在1 mA cm2的电流密度下比容量为1360 mF cm-2,是Co2(OH)2CO3@GF电极的133%;当电流密度增加至20 mA cm-2时,复合材料的倍率为72.8%,与改性前相比提高了 54.9%;并且该复合电极表现出更好的电化学循环稳定性,循环3000次后容量仅衰减4%。说明电沉积Ni2P改性能整体改善Co2(OH)2CO3@GF电极的电化学性能。(3)柔性对称超级电容器件的组装。以自制PVA-KOH凝胶为固态电解质,组装了 Co2(OH)2CO3@GF//PVA-kOH//Co2(OH)2CO3@GF和 Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF//PVA-KOH//Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF 对称器件。测试表明:Co2(OH)2CO3@GF//PVA-KOH//Co2(OH)2CO3@GF器件在1 mA cm-2时的比容量为138.1 mF cm-2,在533.3 W kg-1的功率密度下,能量密度为32.7 Whkg-1,大电流密度(10 mA cm-2)下循环充放电2500次后容量保留85.7%;将电极材料改性后组装的Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF//PVA-KOH//Ni2P@Co2(OH)2CO3@GF 器件,其比容量为197.5 mF cm-2,相同功率密度下的能量密度高达46.8 Wh Kg-1,相比改性前提高了 43.1%,2500次循环后容量保留92.9%,提升了 8.4%,显示出更大的能量密度和更好的循环稳定性。上述研究结果表明Co2(OH)2CO3@GF可作为柔性超级电容器电极材料,进一步Ni2P表面改性能有效提升材料的超级电容性能。
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