镍钴基多元过渡金属化合物电极材料的制备及其超级电容性能研究

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超级电容器因高功率密度、快速充放电能力等特性受到广泛的关注。众所周知,电极材料的类型在超级电容器中有着非常重要的地位,其中包括不同种类的碳材料、导电聚合物及过渡金属化合物等。当过渡金属化合物作为电极材料时,能够有效的利用各种金属氧化态之间的可逆反应来显著增加其能量密度。为能进一步提高过渡金属化合物电极材料的性能,可以通过调控材料的导电性、形貌结构、比表面积等参数来提高超级电容器的储能性能。本论文以镍钴基多元化合物为基础,利用过渡金属元素之间的协同作用,设计了性能优异的电极材料,具体工作如下:1.与单金属化合物相比,两种或两种以上的金属化合物中不同金属离子的协同优势提高了电化学性能。多金属化合物储能能力的提高是由于不同活性中心的氧化还原反应、过渡金属的多价性可提高电导率。本论文通过水热法和溶剂热法在NiO纳米片上生长出蛋黄壳结构的Cu Co2S4,它结合了Ni、Co和Cu过渡金属元素之间的协同作用,并且通过硫脲的用量调控了复合材料的形貌,显著增强了电化学性能。当前驱体溶液中Cu2+:Co2+:硫脲的摩尔比为1:2:6时,得到的NiO@Cu Co2S4显示出最佳的电化学性能,其在1 A g-1时的比电容为1658 F g-1。由NiO@Cu Co2S4正极组成的柔性不对称超级电容器(FASC)在802 W kg-1的功率密度时实现了73 Wh kg-1的能量密度,以及优异的电容稳定性(5000次循环后保持91%)。2.电极材料的电容性能可以通过组合不同形态和微结构的相同金属氧化物来提高,并且调整过渡金属化合物的形貌可以有效地改善其性能。本论文通过控制水热反应时间,在碳布上合成了Ni Co2O4@Ni Co层状双氢氧化物复合材料,该复合材料具有纳米片、纳米草和纳米花三种形貌。研究并比较了这三种复合材料的性能,由于具有网络结构和减小体积膨胀的影响,形貌为纳米草时具有比纳米片和纳米花更好的电化学性能,且纳米草形貌的材料用作不对称超级电容器(ASC)的正电极材料时,在0.85k W kg-1的功率密度时实现了81 Wh kg-1的能量密度及高的重复充放电稳定性(循环5000次后仍为88%)。3.基于沸石咪唑骨架(ZIFs)的材料具有均匀的孔隙、大的比表面积和简单的结构,尤其是,基于Co基ZIF-67的导电性是基于Zn的ZIF-8的1000多倍,使钴基ZIF-67作为储能材料被广泛研究。本论文合成了空心核壳结构的Co-ZIF-67@NiMo-LDH复合材料,电化学研究表明,Co-ZIF-67@NiMo-LDH复合材料的比电容为1734 F g-1(1 A g-1),Co-ZIF-67@NiMo-LDH//AC柔性不对称超级电容器也表现出优异的电容性能。
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