鈷基納米復合材料的設計制備及其電化學性能的研究
本文選題:納米復合材料 切入點:石墨烯 出處:《吉林大學》2017年博士論文 論文類型:學位論文
【摘要】:超級電容器和鋰離子電池是目前有效且應用廣泛的兩種能量存儲器件。然而隨著便攜式電子設備、電動車等市場的快速發(fā)展,它們對功率和能量密度提出了更高的要求。碳材料依舊是如今商業(yè)超級電容器和鋰離子電池應用的主要的電極材料,由于碳材料本身的限制(低的比電容、容量),其根本不能滿足未來市場對高能量和功率密度的要求。過渡金屬氧化物/氫氧化物電極材料可以通過在內部和表面發(fā)生氧化還原反應來存儲電荷,因此易于實現(xiàn)高的比能量/功率,在能量存儲器件中有著重要的應用前景。但是,它們本身的低導電率和在充放電過程中發(fā)生嚴重的體積膨脹等缺點限制了其在高性能能量存儲器件中的應用。通過將電極材料納米結構化,并與具有高導電性、機械穩(wěn)定性的碳材料復合,設計制備納米復合材料是解決這些問題的行之有效的方案。本文基于這個出發(fā)點,主要研究了以下幾方面內容:1.采用乙二醇輔助的水熱法制備出超細單晶Co2(CO3)(OH)2納米線(直徑15 25 nm),采用改進的Hummers法制備了氧化石墨烯(GO)片。二者可以在水中在不同pH值下呈現(xiàn)不同的的Zeta電位,后通過靜電吸附,將二者成功地復合到一起,再進一步用高壓高溫水熱將GO還原成還原的氧化石墨烯(rGO),形成自組裝的rGO/Co2(CO3)(OH)2線/片互支撐孔隙復合結構。在三電級體系下,分別測試了rGO/Co2(CO3)(OH)2和純Co2(CO3)(OH)2的贗電容性能,探究了引入rGO對性能的影響。后將rGO/Co2(CO3)(OH)2做正極和活性炭做負極組裝成非對稱電容器器件。器件呈現(xiàn)出高的能量和功率密度(在751 W kg-1的比功率下具有26.7 Wh kg-1的高比能量;在15362 W kg-1的高比功率下依然具有13.1 Wh kg-1的比能量)和長的循環(huán)壽命(循環(huán)10000次后,容量只損失5.4%)。2.將上一部分靜電自組裝的GO/Co2(CO3)(OH)2線/片互支撐孔隙復合結構經過一步熱處理轉變成具有特殊結構的rGO/CoO線/片互支撐多孔復合材料。熱處理過程中,Co2(CO3)(OH)2納米線原位轉變成CoO,而GO片被原位還原。這個過程有效地增強了CoO納米線和rGO片的吸附力。所以,CoO納米線可以快速地將電子傳導到rGO上。同時,rGO具有極好的導電性。因而整個電極的導電性得到極大的提高。CoO納米線和rGO的復合可以阻止兩種物質自身的團聚。另外,CoO納米顆粒之間的縫隙以及rGO片可以有效地緩沖充放電體積變化所產生的應力。這一系列的協(xié)同作用使得rGO/CoO復合材料呈現(xiàn)出高電化學性能。以5 A g-1的電流密度充放電可以達到504 mA h g-1的比容量;以3 A g-1循環(huán)750圈,其可逆比容量依舊可以達到520 mA h g-1。3.采用簡單可伸縮的化學共沉淀法,成功地將一片高質量的rGO片插入到兩片介孔NiCoO2納米片(~2 nm)間,形成超薄褶皺的NiCoO2/rGO/NiCoO2三明治結構(~6 nm)。這些三明治自組裝到一起構成多孔隙、高比表面積的層級多孔復合結構。我們同時探究了NiCoO2的形成過程,發(fā)現(xiàn)過程中生成的HCHO能夠有效地還原氧化石墨烯。生成的高質量的rGO賦予了這種復合結構高的導電性和穩(wěn)定性。在三電級測試下,以1 A g 1的電流密度充放電,其比電容可以達到784 F?g-1;用20 A g 1充放電循環(huán)2000圈,比電容依舊可以保持起始的87.6%。作為鋰離子電池的電極,以1.6 A g-1的電流密度充放電時,其比容量為706 mA h g-1;用1 A g 1充放電循環(huán)350圈,比容量依舊可以保持595 mA h g-1。4.采用原位溶膠凝膠-碳熱還原相結合的方法,以NaCl晶體表面為模板,葡萄糖做碳源,制備了碳包覆超小Co3O4納米顆粒(平均粒徑為15.7 nm)均勻鑲嵌在一層大約20 nm厚的多孔碳片上的一種復合結構(Co3O4@C@PGC納米片)。我們探究了NaCl在合成這種特殊結構所起的作用以及Co3O4@C@PGC的鋰存儲機理。Co3O4@C@PGC納米片呈現(xiàn)出優(yōu)越的鋰存儲性能。在0.1 A g-1的電流密度充放電循環(huán)100圈后,其可逆比容量為1413 mA h g-1;以20 A g-1的電流密度充放電時,其比容量可以達到345 mA h g-1。用5 A g-1電流密度充放電循環(huán)1000圈后,其可逆比容量依舊保持在760 mA h g-1。
[Abstract]:......
【學位授予單位】:吉林大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2017
【分類號】:TB33;O646
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本文編號:1572098
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