【摘要】：超級(jí)電容器因其具有充放電速度快、能量密度適中、循環(huán)穩(wěn)定性高和生產(chǎn)使用過程中對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),是目前新能源研究的重點(diǎn)。采用單一種類電極材料的超級(jí)電容器由于材料自身的缺點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中受到各種制約;采用復(fù)合材料作為電極材料,可以結(jié)合單一材料的優(yōu)勢(shì),顯著改善實(shí)際的電化學(xué)性能。本文結(jié)合水熱和煅燒法制備了鈷鎳雙金屬氧化物及其石墨烯復(fù)合物,并對(duì)材料的形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。通過控制水熱反應(yīng)條件,得到不同形貌和電化學(xué)性能的鈷鎳雙金屬氧化物電極材料。最佳制備工藝條件為:水熱溫度為120℃,SDS的加入量為1 mmol,鈷鹽和鎳鹽的摩爾比為2:1,水熱時(shí)間為15 h。XRD、SEM、TEM等測(cè)試結(jié)果表明制備的樣品是由納米薄片構(gòu)成的三維花狀微球,為尖晶石型NiCo_2O_4。當(dāng)電流密度為1 A/g時(shí),NiCo_2O_4花狀微球電極材料的比電容可達(dá)到1737 F/g。在制備鈷鎳雙金屬氧化物的基礎(chǔ)上,在水熱反應(yīng)的溶液中加入氧化石墨,通過控制制備工藝,得到了不同形貌和電化學(xué)性能的鈷鎳雙金屬氧化物/rGO復(fù)合材料。最佳制備工藝條件為:水熱溫度140℃,SDS的加入量為1.5 mmol,鈷鹽和鎳鹽的摩爾比為2:1,水熱時(shí)間為9 h,加入的氧化石墨的質(zhì)量為40 mg。XRD、SEM和TEM等測(cè)試結(jié)果測(cè)試表明,最佳工藝條件下制備的樣品由尖晶石型NiCo_2O_4納米薄片相互連接,構(gòu)成三維結(jié)構(gòu),其較為均勻地覆蓋在石墨烯表面,為NiCo_2O_4/rGO復(fù)合材料。當(dāng)電流密度為1 A/g時(shí),NiCo_2O_4/rGO復(fù)合材料的比電容值可達(dá)到2121 F/g。在10 A/g的電流密度下充放電循環(huán)2500次,比容量保持率可達(dá)到97.3%,高于純相NiCo_2O_4的92.3%,這主要?dú)w功于NiCo_2O_4與rGO之間有效的協(xié)同作用。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O611.62;TB33;TM53
【圖文】：

able 1-1 The comparison of electrochemical properties among traditional caprechargeable batteries and supercapacitors化學(xué)性能 傳統(tǒng)電容器 二次電池 超級(jí)電容能機(jī)制 物理過程 化學(xué)過程 雙電層：物法拉第：化時(shí)間 (s) 10-6-10-33600-18000 1-30時(shí)間 (s) 10-6-10-31080-10800 1-30電效率 (%) > 95 70-85 90-98度 (Wh·kg-1) < 0.1 20-100 1-10度 (W·kg-1) > 10450-200 1000-20環(huán)次數(shù) > 105500-2000 > 105級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)

圖 1-2 雙電層電容器（a）和法拉第電容器（b）的儲(chǔ)能機(jī)制示意圖[13]。Fig. 1-2 The storage mechanisms diagram of double-layer supercapacitors (a) and Faradaicsupercapacitors (b)（2）法拉第電容器這種類別的電容器的儲(chǔ)能方式如圖 1-1（b）所示。在法拉第電容器中，電極材料多使用金屬氧化物或氫氧化物，電容的產(chǎn)生和電極表面或體相電極材料的化學(xué)吸脫附過程或快速的氧化還原過程有關(guān)，過程中普遍涉及了電子轉(zhuǎn)移的電化學(xué)過程[14]。充電時(shí)，由于擴(kuò)散作用電解液離子運(yùn)動(dòng)到電極和電解液的界面，與電極材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后進(jìn)入到電極內(nèi)部，正負(fù)極間由此形成一定的電勢(shì)差。放電時(shí)，發(fā)生和充電階段涉及反應(yīng)的逆反應(yīng)，電解液離子離開電極內(nèi)部重新回到電極液中，兩電極間的電勢(shì)也回復(fù)到原始的狀態(tài)。和雙電層電容器相比，法拉第電容器的實(shí)際充放電階段涉及到氧化還原反應(yīng)，能量的產(chǎn)生非常依賴于電荷轉(zhuǎn)移的速度和離子的取向，故能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的比電容和能量密度。但由于氧化還原反應(yīng)的固有特征，沒有改善性能的法拉第電容器和普通的電池一樣，循環(huán)性能

圖 1-3 富勒烯、碳納米管和石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)[66]Fig. 1-3 The crystal structure of fullerene, carbon nanotube and graphen的碳原子因?yàn)楣矁r(jià)鍵的作用緊密堆積成僅僅具有單個(gè)原子層，這便是石墨烯。其周期性排布的六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)使這種材定性，其中每一個(gè)處于 sp2雜化狀態(tài)下的碳原子都借助 鍵下的碳原子連接成碳骨架，兩個(gè)價(jià)鍵之間的角度是 120°[67]結(jié)構(gòu)和實(shí)際組成，石墨烯在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等領(lǐng)域由于組成石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的碳原子間的共價(jià)鍵擁有柔韌的特示，呈二維結(jié)構(gòu)的石墨烯可以作為基本素材，在一定空間內(nèi)等一系列的操作，可以組成不同的三維結(jié)構(gòu)，如球形存在的的碳納米管[68]等。石墨烯的發(fā)現(xiàn)到這些更加復(fù)雜的碳材料的催化、能源、生物等領(lǐng)域研究的快速發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 吳紅英;王歡文;;鈷酸鎳納米花/活性炭纖維復(fù)合物的制備和表征及其超級(jí)電容器性能[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2013年07期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉海晶;電化學(xué)超級(jí)電容器多孔碳電極材料的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2798052