發(fā)布時間：2017-08-14 22:25

  本文關(guān)鍵詞：硫化物核殼結(jié)構(gòu)材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 超級電容器 Ni_3S_2@CoS NiCo_2S_4@Co(OH)_2 核殼結(jié)構(gòu)

【摘要】：超級電容器具有比電容高、使用壽命長、充電時間短、資源節(jié)約以及環(huán)境友好等優(yōu)點,因此引起了普遍的重視。然而,低的能量密度成為了其主要的技術(shù)障礙。根據(jù)能量密度公式(E=1/2CV2)可知,超級電容器的比電容和工作電壓對于提高能量密度尤為重要。本文結(jié)合新型硫化物和核殼結(jié)構(gòu),制備了一系列硫化物核殼結(jié)構(gòu)電極材料。然后以硫化物核殼結(jié)構(gòu)材料為正極,活性炭為負極設(shè)計了非對稱超級電容器。通過水熱反應(yīng)在泡沫鎳上生長三棱錐狀的Ni_3S_2陣列,然后采用電沉積的方法在其上負載卷曲的CoS納米片,制備了Ni_3S_2@CoS復合材料。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和光電子能譜(XPS)對材料的結(jié)構(gòu)和形貌進行表征,同時在三電極體系中對Ni_3S_2和Ni_3S_2@CoS電極進行測試。結(jié)果表明,在4 mA cm-2的電流密度下,Ni_3S_2@CoS電極的面積比電容高達4.89 F cm-2,這要比純的Ni_3S_2電極(1.97 F cm-2)高得多。Ni_3S_2@CoS電極在電化學性能上的優(yōu)勢主要源于:一方面Ni_3S_2與CoS都是具有代表性的贗電容材料,兩者產(chǎn)生了協(xié)同作用;另一方面Ni_3S_2@CoS陣列核殼結(jié)構(gòu),能夠加快電解質(zhì)離子的擴散速度,同時為電荷轉(zhuǎn)移提供有效路徑。以Ni_3S_2和Ni_3S_2@CoS作為正極材料,以商用活性炭為負極材料,設(shè)計了非對稱超級電容器。電化學測試結(jié)果表明,當電流密度為1.43 mA cm-2時,Ni_3S_2@CoS非對稱超級電容器的面積比電容可達0.68 F cm-2。當功率密度為0.14kW kg-1時,其能量密度高達28.24 Wh k g-1。另外,循環(huán)壽命測試表明,經(jīng)過2000次循環(huán)充放電后,Ni_3S_2@CoS非對稱超級電容器的比電容仍能保持初始值的98.83%,表現(xiàn)了持久的循環(huán)壽命。采用離子交換的方式在泡沫鎳上生長NiCo_2S_4納米管陣列,而后在其上電沉積層疊卷曲的片狀Co(OH)_2,得到NiCo_2S_4@Co(OH)_2復合材料。利用XRD、SEM和TEM對材料的結(jié)構(gòu)和形貌進行表征,同時在三電極體系中對NiCo_2S_4和NiCo_2S_4@Co(OH)_2電極進行測試。在2 mA cm-2的電流密度下,NiCo_2S_4@Co(OH)_2電極的面積比電容高達9.6 F cm-2,幾乎是NiCo_2S_4電極的兩倍。即使電流密度達到最大值32 mA cm-2,NiCo_2S_4@Co(OH)_2電極的面積比電容仍然維持在6.4 F cm-2。NiCo_2S_4@Co(OH)_2復合材料優(yōu)秀的電化學性能主要源于以下幾個原因。首先NiCo_2S_4納米管具有中空的陣列結(jié)構(gòu),促進了電解質(zhì)離子的擴散。其次NiCo_2S_4還具有良好的導電性。此外,NiCo_2S_4@Co(OH)_2納米管陣列與基體泡沫鎳緊密結(jié)合,不易脫落,有利于循環(huán)穩(wěn)定性。以NiCo_2S_4、NiCo_2S_4@Co(OH)_2為正極材料,商用活性炭為負極材料,構(gòu)建非對稱超級電容器。電化學測試結(jié)果表明,當電流密度從0.5 A g-1增大到4 A g-1時,NiCo_2S_4@Co(OH)_2非對稱超級電容器的比電容由100.94 F g-1變化到73.75 F g-1。當功率密度在0.4 kW kg-1時,能量密度高達35.89 Wh kg-1。并且循環(huán)壽命測試表明,經(jīng)過5000次循環(huán)充放電后,NiCo_2S_4@Co(OH)_2非對稱超級電容器的比電容仍能維持初始值的70.10%,表現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。由此可見,NiCo_2S_4@Co(OH)_2電極材料在非對稱超級電容器上具有巨大的應(yīng)用潛能。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 Ni_3S_2@CoS NiCo_2S_4@Co(OH)_2 核殼結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：華僑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ125.1;TM53
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-20
• 1.1 超級電容器的儲能原理及分類11-12
• 1.1.1 雙電層電容器11
• 1.1.2 贗電容（法拉第）電容器11-12
• 1.2 超級電容器電極材料研究進展12-16
• 1.2.1 雙電層電容器電極材料12-14
• 1.2.2 贗電容（法拉第）電容器電極材料14-16
• 1.3 硫化物電極材料研究進展16-18
• 1.4 本課題的選題意義及研究內(nèi)容18-20
• 第2章 Ni_3S_2@CoS納米三棱錐核殼結(jié)構(gòu)的制備及其電化學性能的研究20-30
• 2.1 本章引論20
• 2.2 主要實驗試劑與儀器20-22
• 2.2.1 主要儀器20-21
• 2.2.2 主要試劑21-22
• 2.3 Ni_3S_2@CoS納米三棱錐核殼結(jié)構(gòu)的制備22-23
• 2.3.1 Ni_3S_2納米三棱錐的制備22
• 2.3.2 CoS納米片的制備22-23
• 2.4 電化學性能測試23
• 2.5 結(jié)果與討論23-28
• 2.5.1 掃描電子顯微鏡分析 (SEM)23-24
• 2.5.2 X射線衍射分析 (XRD)24-25
• 2.5.3 X射線光電子能譜 (XPS) 分析25
• 2.5.4 透射電子顯微鏡 (TEM) 分析25-26
• 2.5.5 Ni_3S_2、Ni_3S_2@CoS電極的電化學性能測試26-28
• 2.6 本章小結(jié)28-30
• 第3章 Ni_3S_2@CoS非對稱超級電容器的電化學性能研究30-38
• 3.1 本章引論30-31
• 3.2 非對稱超級電容器的設(shè)計31-33
• 3.2.1 負極材料的電化學性能測試31
• 3.2.2 正負極電位窗口確定31-32
• 3.2.3 正負極質(zhì)量匹配原則32-33
• 3.3 結(jié)果與討論33-36
• 3.3.1 非對稱超級電容器的電化學性能研究33-36
• 3.4 本章小結(jié)36-38
• 第4章 NiCo_2S_4@Co(OH)_2納米管核殼結(jié)構(gòu)的制備及其電化學性能研究38-48
• 4.1 本章引論38
• 4.2 主要實驗試劑與儀器38-40
• 4.2.1 主要儀器38-39
• 4.2.2 主要試劑39-40
• 4.3 NiCo_2S_4@Co(OH)_2納米管核殼結(jié)構(gòu)的制備40-41
• 4.3.1 NiCo_2S_4納米管的制備40
• 4.3.2 Co(OH)_2納米片的制備40-41
• 4.4 電化學性能測試41
• 4.5 結(jié)果與討論41-47
• 4.5.1 掃描電子顯微鏡 (SEM) 分析41-43
• 4.5.2 X射線衍射 (XRD) 分析43-44
• 4.5.3 透射電子顯微鏡 (TEM) 分析44
• 4.5.4 NiCo_2S_4@Co(OH)_2電極的電化學性能測試44-47
• 4.6 本章小結(jié)47-48
• 第5章 NiCo_2S_4@Co(OH)_2非對稱超級電容器的電化學性能研究48-56
• 5.1 本章引論48-49
• 5.2 非對稱超級電容器的設(shè)計49-51
• 5.2.1 負極材料的電化學性能測試49
• 5.2.2 正負極電位窗口確定49-50
• 5.2.3 正負極質(zhì)量匹配原則50-51
• 5.3 結(jié)果與討論51-54
• 5.3.1 非對稱超級電容器的電化學性能研究51-54
• 5.4 本章小結(jié)54-56
• 第6章 結(jié)論56-60
• 6.1 研究總結(jié)56-57
• 6.2 展望57-60
• 參考文獻60-68
• 致謝68-70
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果70

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本文編號：675067