论文部分内容阅读
常用的电能储能器件有锂电池,铅酸电池,超级电容器。其中超级电容器有着较高的功率密度与较长的使用寿命,并且在极端温度下依旧有着较为稳定的性能与较高的安全性,因此在低温等情况下比锂电池更适合作为储能器件。超级电容器由集流体,电极材料,电解质,隔膜和壳体等组成,其中电极材料决定了超级电容器性能的上限,是最重要的组成部分之一。而Ni、Co磷酸盐（NCP）作为电极材料时,有着成本低廉、储量丰富、电化学活性高等优点,但并未受到广泛关注,相关研究较少,因此有着良好的研究前景。我们通过简单的一步低温水热法在泡沫镍基体的表面合成NCP活性物质,直接得到相应电极,从而避免了粘结剂的使用。为了进一步提升该电极材料的性能,之后使用了一些碳材料（AC、CNT和GO）与金属氧化物（Cu O、MnO2和Co3O4）进行了改性。最后通过CV、GCD、EIS等方法测试了样品的电化学性能,并采用SEM、XRD、RAMAN、SEM、BET等方法表征了样品的物化性能。本研究的主要内容如下:1.首先采用低温水热法制备了纯NCP电极材料,通过单因素控制变量法分别研究了原料来源、Ni/Co摩尔比、溶剂、水热温度、反应釜填充度对所得NCP电极材料的影响。结果表明,最佳的合成条件为:以Ni（NO3）2、Co（NO3）2作为原材料;Ni/Co摩尔比为1:1;溶剂选用纯去离子水;水热温度为160℃;反应釜填充度为60%。此合成条件下得到的样品在物化测试中呈现出两种形貌:形状规则的棒状和表面粗糙的球状,而且分散性较好;棒状晶体直径在0.5μm左右,长度在5-10μm左右,球状结构的材料直径约3μm,中值粒径D50为7.45μm,XRD特征峰不明显。而在电化学测试中,在1、4、7、10 A/g电流密度下的比电容分别为2960 F/g、2876 F/g、2780 F/g、2706 F/g。而镍离子与钴离子的同时存在则会产生二元过渡金属协同作用,这有助于电极材料电化学性能的改善。2.之后我们在纯NCP最优合成条件的基础上,通过CNT、AC与GO这三种碳材料分别对纯NCP进行改性研究,得到了NCP/AC、NCP/CNT和NCP/GO这三种复合材料。接着对这三种复合材料的物化性能和电化学性能进行了表征和分析。结果表明,在反应时长14 h,1.59 wt%的AC添加量,添加方式（1）的条件下,NCP/AC复合材料有着最佳的综合性能。该材料呈海胆状,有着排布紧密的棒状结构,棒状材料的直径约为0.5μm,长度约为10-15μm;中值粒径D50为9.55μm,与不改性的NCP相比,颗粒直径有所增大。在1、4、7、10 A/g电流密度下的比电容分别为5800 F/g、4704 F/g、4046 F/g、3562 F/g。复合材料的电容性能有着明显的提高,这是因为引入碳材料后增强了导电性,建立了更多的活性位点,使得活性物质得到充分的利用,从而提高了电化学性能。3.最后我们研究了引入金属氧化物对纯NCP的影响。通过Cu O、MnO2和Co3O4对纯NCP进行改性,并对改性后得到的产物（NCP/Cu O、NCP/MnO2与NCP/Co3O4）分别进行了物化性能和电化学性能的表征和分析。结果表明,在反应时长12 h,4.77 wt%的MnO2添加量,添加方式（1）的条件下,NCP/MnO2有着最好的综合性能,呈现出松散的微米花状结构,截面直径约为1μm,长度约为20-30μm;直径分布比较集中,中值粒径D50为6.62μm。与纯NCP相比,NCP/MnO2有着更小的颗粒直径和更大比表面积,可以带来更多的活性位点,和路径更短的离子通道,提升了整体的电化学性能。在1、4、7、10 A/g电流密度下的比电容分别为3626 F/g、3336 F/g、3140 F/g、3104 F/g。