超級電容器是一類綠色、高效、安全和長壽命的能源器件,具有顯著的倍率和功率密度優(yōu)勢,在對功率輸出和充放電速率有較高要求的啟停裝置、輔助動力電源、脈沖設備和便攜電子產(chǎn)品方面有重要應用前景。電極材料是超級電容器電荷儲存和傳輸?shù)闹黧w,設計高性能法拉第電極材料、優(yōu)化電子、離子傳質(zhì)通道和結(jié)構(gòu)韌性,并構(gòu)建非對稱電容器件是提高電容器儲能容量、能量密度,循環(huán)壽命的關鍵,也是此領域研究開發(fā)的重點。金屬硫化物是一類非常重要的法拉第電容材料,具有較高法拉第活性和較窄帶隙能,是一類高比容電極材料。進一步合成雙金屬硫化物、異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及復合物,可以通過不同元素或不同組分之間的相互作用提高電極法拉第活性,同時通過構(gòu)建多級結(jié)構(gòu)提高活性材料表面積、電子離子導電性以及結(jié)構(gòu)韌性,有望全方位提高硫化物電極的儲能容量、倍率和循環(huán)性能,從而制作高性能和長壽命的電容器件。本論文主要涉及不同結(jié)構(gòu)雙金屬硫化物、異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫化物以及硫化物復合物的設計合成及其在非對稱電容器件方面的應用性能。此外,我們開展了氮摻雜碳質(zhì)材料的合成、表征與電容性能分析,利用其雙電層電容特性提高非對稱電容器件的功率輸出能力,具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:1、經(jīng)過兩步水熱沉積在泡沫鎳基底表面先后沉積CoNi_2S_4和石墨烯(rGO)形成CoNi_2S_4-rGO復合物活性電極,rGO在CoNi_2S_4陣列結(jié)構(gòu)活性層表面的包覆處理能在不降低電極儲能容量的同時明顯改善電極材料的循環(huán)性能。該復合物電極能提供1988 Fg~(-1)(1 Ag~(-1))的比容,同時具備良好倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。將該CoNi_2S_4-rGO電極與雙電層的墨水碳電極組裝成CoNi_2S_4-rGO//AC非對稱電容器件,其電壓窗口可拓寬至1.6 V,能提供52 Whkg~(-1)的能量密度和良好循環(huán)性能,可用作高能量密度和長壽命的電容器件。2、以泡沫鎳為集流體和鎳源,通過水熱沉積在泡沫鎳集流體表面沉積Co前驅(qū)體納米纖維陣列前驅(qū)體,再經(jīng)過一步硫化處理,形成Co_3S_4@Ni_3S_4多孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列復合物電極,該電極在2 M KOH電解質(zhì)體系中能提供3.6 Fcm~(-2)的面積比容(0.8 mAcm~(-2)),良好倍率和循環(huán)性能;基于此異質(zhì)結(jié)構(gòu)多孔陣列電極構(gòu)建的Co_3S_4@Ni_3S_4//PC非對稱電容器件面積比容為0.513 Fcm~(-2)(2 mAcm~(-2)),該器件在面積功率密度1.39~63.3 mWcm~(-2)范圍內(nèi)的能量密度0.18~0.035 mWhcm~(-2),同時具有較慢的自放電行為和良好循環(huán)性能。3、采用水熱反應和后續(xù)的硫化處理在泡沫鎳集流體表面上先后沉積Co_3O_4和Ni_3S_4,形成了由交聯(lián)層狀初級單元組裝的三維網(wǎng)狀Co_3O_4@Ni_3S_4結(jié)構(gòu)復合物活性層。電化學測試表明,Co_3O_4@Ni_3S_4納米網(wǎng)電極比電容高達4.92 Fcm~(-2)(1 mAcm~(-2)),在30 mAcm~(-2)電流密度下比容仍能保持在0.94 Fcm~(-2)。4、采用富勒烯碳渣作為碳基體,通過不同氮源的摻雜和活化處理,制備出氮摻雜碳多孔微球材料。這類氮摻雜碳材料具有較高的電化學及電催化活性。在酸性電解質(zhì)體系下測試了不同摻雜、活化處理溫度以及氮元素含量對電容性能的影響,該氮摻雜碳材料比容可達230 Fg~(-1)(1 Ag~(-1)),可用作高容量碳質(zhì)電極材料。
【學位單位】：河南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB332;TM53
【部分圖文】：

電容（M 表示金屬原子）如圖 1-2 所示。如果電解質(zhì)中的陰離子參與了可逆的氧化還反應，它們會向著相反的方向移向陽離子。對于 EDLCs 來說，最大的電壓窗口（Vm）要是取決于所用的電解質(zhì)，其穩(wěn)定性也受到電解液的限制。對于 EDLCs 來說，碳納材料是較好的材料，由于其具有獨特結(jié)構(gòu)、較大的比表面積，較高化學和機械穩(wěn)定性較好的導電性和較低的成本。在 EDLCs 中，不同形式的碳材料可以用來儲存電荷上，如活性碳、碳氣凝膠和碳納米管。

圖 1-2 超級電容器的機理圖：（a）EDLCs，（b）贗電容（M 代表的是金屬離子混合電容器容器件同時兼有兩種儲能原理，即在電極和電解質(zhì)界面間同時具有離子吸

電解質(zhì)對超級電容器性能對的影響

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本文編號：2820687