【摘要】：當(dāng)今世界的能源需求主要是通過消耗化石燃料等資源而提供的,這導(dǎo)致了全球的生態(tài)問題,并對經(jīng)濟(jì)和社會產(chǎn)生了持久的不良影響。因此社會迫切需要開發(fā)高效、環(huán)保和高性價比的儲能設(shè)備,以滿足各個領(lǐng)域的能源需求。因此環(huán)保安全、低成本、高性能的超電容器件和電池對便攜式電子產(chǎn)品以及電動汽車越來越重要。過渡金屬類水滑石電極材料,作為層狀材料的代表,由于具有較高的比電容量和能量密度且價格低廉、容易制備,近年來己成為堿性電池、超電容器等電極材料的研究熱點(diǎn)。然而,在傳統(tǒng)的超電容器件和電池中,正極通常由活性材料、粘合劑、導(dǎo)電添加劑等混合而成,這會導(dǎo)致離子和電子擴(kuò)散效率低,從而影響電化學(xué)性能。而納米陣列材料,比普通納米材料具有更大的電化學(xué)活性比表面,并且活性材料和基底良好的接觸使其具有更高的電導(dǎo)率。因此將活性材料通過納米陣列的構(gòu)筑,實(shí)現(xiàn)高性能的電極具有廣泛的前景。電極材料的結(jié)構(gòu)對于器件儲能性能影響極大,因此應(yīng)進(jìn)一步探索和優(yōu)化活性材料的結(jié)構(gòu)和形貌。針對以上問題,本文將論述述如下:1、在溫和條件下利用一步水熱法合成鎳釩水滑石納米陣列材料,通過控制鎳離子和釩離子不同的投料比,制備電化學(xué)性能最優(yōu)的NiV-LDH陣列材料。對該陣列材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,以及利用各種電化學(xué)測試方法研究材料的電化學(xué)儲能性能。鎳釩水滑石納米陣列材料,應(yīng)用于超電容儲能電極研究在世界范圍內(nèi)屬于首次報道。通過測試結(jié)果表明,NiV-LDH納米陣列材料在1 Ag-1的電流密度下比電容值可達(dá)到2420 Fg-1,而在20 A g-1的大電流密度下,該陣列材料的比電容依然可以達(dá)到1066 Fg-1,大電流下的倍率特性44.5%,另外在20 A g-1的大電流密度下,循環(huán)2000次后容量保留約68%,這對于材料的實(shí)際應(yīng)用有很大意義。由于特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使得NiV-LDH納米陣列材料材料具有穩(wěn)定α-Ni(OH)2的晶相的特性,實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能。鎳釩水滑石納米陣列材料,是一種高性能且具有廣泛應(yīng)用前景的超級電容器電極材料。2、利用簡單而有效的水熱法,在多孔的泡沫鎳上原位沉積生長多層級結(jié)構(gòu)Co304@NiV-LDH納米陣列材料,實(shí)現(xiàn)電極活性材料的高負(fù)載和提升電極面積比電容量。對該陣列材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,以及研究材料的電化學(xué)性能。這種新型的多級納米陣列結(jié)構(gòu)結(jié)合了大孔泡沫鎳和核/殼納米線陣列的優(yōu)點(diǎn),如有效提升電極材料電導(dǎo)率,提高比表面積,縮短了離子擴(kuò)散和電子傳輸?shù)穆窂�。�?shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示,該多層級結(jié)構(gòu)Co304@NiV-LDH殼核納米陣列材料,實(shí)現(xiàn)單位面積高載量(～11.1mg cm-2)、極高的面積比容量(1.98 mAh cm-2在5 mA cm-2電流密度下)、優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)性能(充放電循環(huán)測試1000次后未有容量衰減),應(yīng)用于電池的正極具有極大前景。因此,將該多級納米陣列材料與鋅基負(fù)極搭建成一個新型的鎳/鈷-鋅電池,經(jīng)過電化學(xué)測試,該電池可以展現(xiàn)出優(yōu)異的儲能特性,高工作電壓窗口(1.71 V)、較高的能量密度(高達(dá)2.2 mWh cm-2)和功率密度(高達(dá)82.0 mWcm-2)、良好的循環(huán)穩(wěn)定性。該電化學(xué)性能的提高歸因于獨(dú)特的層次陣列結(jié)構(gòu)和材料間的協(xié)同效應(yīng)。這項(xiàng)工作良好定義陣列設(shè)計對于電化學(xué)儲能器件的優(yōu)化提供一種新的思路。
【圖文】：

ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ａｎｄ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ＾８１逡逑超電容器可以根據(jù)儲能機(jī)理分為兩類：（ｉ）雙電層電容器（雙電層電容器）逡逑（圖１－２邋ａ），在電極和電解質(zhì)之間的界面電荷分離，，如碳材料等；和（２）贗電容逡逑器（圖ｌ－２ｂ），快速和可逆的氧化還原過程，在電極表面發(fā)生，如金屬氧化物逡逑或?qū)щ娋酆衔铮蓿保常�。各種過渡金屬氧化物或氫氧化物，如二氧化錳、氧化鎳、氧逡逑化鈷、氫氧化鎳、氫氧化鈷等，己在儲能系統(tǒng)作為電極材料進(jìn)行了廣泛的研究。逡逑與碳和導(dǎo)電聚合物相比，過渡金屬氧化物或氫氧化物等贗電容材料可以實(shí)現(xiàn)更高逡逑的比容量。其中，過渡金屬類水滑石（ＬＤＨｓ）材料，由于它們具有陰離子交換、逡逑可調(diào)性化學(xué)成分、較高的氧化還原活性和對環(huán)境友好，越來越引起研宄人員的重逡逑視［１４－１６］。例如ＮｉＡｌ－ＬＤＨ［１７］，邋ＮｉＣｏ－ＬＤＨ［１８］，邋ＮｉＭｎ－ＬＤＨ丨邋１９＿ＣｏＭｎ－ＬＤＨ丨２Ｇ］等材料逡逑也受到廣泛的研宄

用率和界面的電子傳輸，展示出比普通材料更高的容量。而納米陣列材料，比普逡逑通納米材料具有更高的電導(dǎo)率，提供更多的材料體積空間，更大的比表面積［２１］。逡逑圖１－３為納米陣列材料典型的結(jié)構(gòu)示意圖。由于傳統(tǒng)的納米陣列材料負(fù)載量較低逡逑（一般低于５邋ｍｇ邋ｃｍ－２），當(dāng)負(fù)載量太高會使得材料的利用率低下，反應(yīng)過程中很逡逑容易使得活性材料失去活性，導(dǎo)致活性材料穩(wěn)定性不好。針對以上問題，可以通逡逑過構(gòu)建多層級納米陣列結(jié)構(gòu)電極，有文獻(xiàn)報告這是一種有效的方法來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量逡逑負(fù)載和提升活性材料的利用率，因?yàn)槎鄬蛹壖{米陣列結(jié)構(gòu)可以提供較大的比表面逡逑積，更短的離子和更有效的電子擴(kuò)散路徑，并存在一個潛在的多組分的協(xié)同效應(yīng)，逡逑從而實(shí)現(xiàn)更大的比容量，更優(yōu)異的倍率特性以及循環(huán)穩(wěn)定性［２２］。因此，多層級納逡逑米陣列結(jié)構(gòu)電極在電化學(xué)儲能系統(tǒng)以及納米領(lǐng)域的應(yīng)用有必要進(jìn)一步深入的研逡逑究。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TM53

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本文編號：2621627