【摘要】：超級電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件,以其快速充放電,高功率密度,長循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。其中,性能優(yōu)異的儲(chǔ)能電極材料是超級電容器應(yīng)用的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。然而,目前電極材料存在的主要問題是實(shí)際比容量低、特別是倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性差。因此,探索和研究具有高效、穩(wěn)定電化學(xué)性能的超級電容器電極材料仍是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿性課題。本論文主要以MnCo_2O_4基復(fù)合材料為研究對象,圍繞該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可控合成、結(jié)構(gòu)和組成與電化學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系等方面開展研究,分析復(fù)合材料其電化學(xué)性能改善的內(nèi)在原因,明確其儲(chǔ)能機(jī)理,為提高鈷酸錳基復(fù)合材料的電化學(xué)性能提供有價(jià)值的參考和依據(jù)。主要研究內(nèi)容如下:(1)MnCo_2O_4@Ni_3S_2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合電極材料的制備及電化學(xué)性能研究采用兩步水熱法制備了六棱柱MnCo_2O_4@Ni_3S_2復(fù)合材料,通過改變雙氰胺與Co+Mn的摩爾比來改變MnCo_2O_4的形貌,進(jìn)而改變復(fù)合材料的電化學(xué)性能。通過電化學(xué)測試,MnCo_2O_4@Ni_3S_2復(fù)合材料的比容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一MnCo_2O_4或Ni_3S_2電極材料的比容量。在電流密度為3 A g~(-1)時(shí),比容量高達(dá)2807 F g~(-1)。當(dāng)電流密度升高到30A g~(-1)時(shí),比容量的保持率為69%(單一MnCo_2O_4和Ni_3S_2電極的比容量保持率分別為53%和63%)。此外,單一MnCo_2O_4和Ni_3S_2電極在電流密度為10A g~(-1)下循環(huán)5000次后,比電容保持率分別為78%和83%,而MnCo_2O_4@Ni_3S_2復(fù)合電極的比電容保持率高達(dá)92%。這些結(jié)果表明MnCo_2O_4@Ni_3S_2復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能顯著高于單一MnCo_2O_4和Ni_3S_2電極材料,其原因歸結(jié)為復(fù)合電極材料的獨(dú)特多級結(jié)構(gòu)及MnCo_2O_4和Ni_3S_2組分的協(xié)同作用。(2)三維MnCo_2O_4@MnMoO_4復(fù)合電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和良好電容性能的核殼納米陣列的合理設(shè)計(jì)和制備被認(rèn)為是超級電容器先進(jìn)電極材料的一種極具挑戰(zhàn)性的策略。本實(shí)驗(yàn)通過兩步水熱法在泡沫鎳上合成了一種自支撐三維MnCo_2O_4納米片@MnMoO_4納米片復(fù)合納米結(jié)構(gòu),該復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑是通過在相互交聯(lián)的MnCo_2O_4納米片陣列上垂直生長MnMoO_4納米片而實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可以充分利用其獨(dú)特的片-片結(jié)構(gòu)和MnCo_2O_4與MnMoO_4的協(xié)同效應(yīng)來提高電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與單一MnCo_2O_4或MnMoO_4納米片陣列電極相比,復(fù)合電極材料展現(xiàn)出更高的比容量(電流密度為3 A g~(-1)時(shí),容量為2212 F g~(-1)),倍率容量(電流密度為30 A g~(-1)時(shí),容量為1573 F g~(-1))和較好的循環(huán)穩(wěn)定性(經(jīng)5000次循環(huán)后電容保持率95%)。此外,基于MnCo_2O_4@MnMoO_4//活性炭組裝的非對稱超級電容器也具有一定的比容量(電流密度為1 A g~(-1)時(shí),比容量為138.8 F g~(-1))和能量密度(功率密度為815 W kg~(-1)時(shí),能量密度為49.4 Wh kg~(-1))。這些結(jié)果表明所制備的MnCo_2O_4@MnMoO_4納米復(fù)合電極材料在高性能超級電容器中具有廣闊的應(yīng)用前景。(3)MnCo_2O_4/NiMn LDH(層狀雙金屬氫氧化物)復(fù)合納米片陣列的制備及其儲(chǔ)能性能研究本實(shí)驗(yàn)是關(guān)于MnCo_2O_4納米片陣列表面原位生長NiMn LDH納米片形成層-層復(fù)合納米陣列的構(gòu)筑及其電化學(xué)性能。這種層-層結(jié)構(gòu)以及NiMn LDH和MnCo_2O_4組分之間的協(xié)同效應(yīng),大大提高了復(fù)合電極材料的儲(chǔ)能性能。研究表明,復(fù)合電極在電流密度3 A g~(-1)和30 A g~(-1)的比容量分別為3063 F g~(-1)(相當(dāng)于單個(gè)MnCo_2O_4電極的四倍)和2315 F g~(-1)。在電流密度為30 A g~(-1)循環(huán)5000次后比容量保持率為94.7%。此外,以MnCo_2O_4/NiMn LDH和活性炭分別為正負(fù)電極制備了一種不對稱固態(tài)超級電容器器件。在功率密度為806 W kg~(-1)時(shí),器件的能密度為51.9 Wh kg~(-1)。上述研究結(jié)果為合成超級電容器用高性能復(fù)合電極提供了一種可行的策略。
【學(xué)位授予單位】：河北工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM53
【圖文】：

.5 本論文研究意義與研究內(nèi)容.5.1 論文研究意義新型儲(chǔ)能器件作為全世界實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而新型的電材料又是提高儲(chǔ)能器件儲(chǔ)能性能不可或缺的部分。超級電容器由于其高功率密、快速充電/放電能力、持久循環(huán)壽命、安全操作等突出優(yōu)點(diǎn)，成為最有發(fā)展前的儲(chǔ)能器件。但其能量密度低、倍率性能差還是難以滿足當(dāng)前實(shí)際的應(yīng)用。如何證在擁有高功率密度的情況下，提高超級電容器比容量和能量密度，成為了當(dāng)前們主要研究的關(guān)鍵問題。然而在超級電容器的組成部件中，電極材料是決定超級容器電化學(xué)性能的決定性因素。所以我們可以對電極材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過制備復(fù)電極材料來提高其電化學(xué)性能。.5.2 論文研究內(nèi)容

圖 3-1 生長在泡沫鎳上的自支撐多級 MnCo2O4@Ni3S2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備工藝示意Fig. 3-1 Schematic illustration for the preparation process of self-supported hierarchicaMnCo2O4@Ni3S2CSHs on NF 3-1 展示了在泡沫鎳上生長自支撐多級 MnCo2O4@Ni3S2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)。首先，通過簡單的水熱反應(yīng)，在泡沫鎳上直接生長六棱柱狀 MnCo2O

+ H2圖3-2 顯示了煅燒后的 MnCo2O4產(chǎn)物的典型 X射線衍射圖像。衍射峰 2θ=30.5o，36.0o，57.9o 和 63.6o，與立方尖晶石 MnCo2O4的衍射峰相對應(yīng)（JCPDS.23-1237）[48, 51-53]。其它的衍射峰都是泡沫鎳的衍射峰[53]。通過掃描圖像研究生長在泡沫鎳上 MnCo2O4的形貌。如圖 3-3a 所示，泡沫鎳表面生長了一層 MnCo2O4微粒。放大的掃描圖像(圖 3-3b, c)清楚地顯示出這些 MnCo2O4微粒為六棱柱狀，其尺寸為 1-3μm。對應(yīng)的元素譜圖(圖 3-3 d, e, f)顯示了 Mn、Co 和 O 元素在泡沫鎳表面分布均勻。為了進(jìn)一步研究生長在泡沫鎳上的六棱柱狀 MnCo2O4微粒，用透射圖像對其進(jìn)行了進(jìn)一步表征，如圖（3-3g,h）所示。MnCo2O4微粒尺寸為 1-3μm 的六棱柱

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本文編號：2792760