本文關(guān)鍵詞：多元鎳鈷化合物電極材料的制備及其電化學(xué)儲能研究

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【摘要】：近年來,3d過渡金屬氧化物因其具有較高理論容量成為鋰離子電池和超級電容器備受關(guān)注的一類電極材料,其中以Ni和Co的氧化物最為引人注目,但是Ni和Co的氧化物電導(dǎo)率不高,導(dǎo)致其循環(huán)性能和倍率性能較差,是阻礙他們應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題。研究發(fā)現(xiàn),將兩種或兩種以上的金屬元素復(fù)合成多元金屬氧化物,能減小材料的禁帶寬度,提高電子電導(dǎo)率。由于Ni、Co的物化性質(zhì)相似,電化學(xué)窗口相近,因此將Ni、Co復(fù)合成雙金屬化合物是可行的,為解決過渡金屬氧化物循環(huán)性能和倍率性能不足的問題提供了一條新的途徑。電極材料的形態(tài)和尺寸是影響其電化學(xué)性能的一個重要因素,將電極材料設(shè)計成特殊的納米結(jié)構(gòu),能縮短離子在活性材料內(nèi)的擴散路徑,減小其遷移阻力,提高離子電導(dǎo)率,從而改善鋰電池和超級電容器的電化學(xué)性能。因此,本文通過將Ni、Co復(fù)合形成雙金屬硫化物和氧化物,并配合設(shè)計新穎的納米材料結(jié)構(gòu),以提高電極材料的電導(dǎo)率,進而改善其鋰電池性能和贗電容性能,本文的研究內(nèi)容如下:采用兩次水熱法和水熱-高溫煅燒處理在泡沫Ni上分別生長了NiCo2S4納米管陣列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)納米片陣列。NiCo2S4納米管的內(nèi)/外徑為~50/100 nm,管長達(dá)~2μm,管壁厚20—30 nm,并呈現(xiàn)出一種有序的、高電導(dǎo)率的和大比表面的電極材料結(jié)構(gòu)。NixCo1-xMoO4材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌與Ni的相對含量有關(guān)。在晶體結(jié)構(gòu)上,當(dāng)x=0和0.25時,NixCo1-xMoO4材料為α/β-CoMoO4結(jié)構(gòu);當(dāng)x=0.50、0.75和1.00時,則為α/β-NiMoO4結(jié)構(gòu)。在微觀形貌上,NixCo1-xMoO4材料呈二維納米片狀生長在泡沫Ni上,構(gòu)成了一種有序的三維網(wǎng)絡(luò)陣列結(jié)構(gòu)。當(dāng)Ni的相對含量改變時,納米片的尺寸、厚度和片間孔隙等微結(jié)構(gòu)均隨之規(guī)律性變化。將NiCo2S4納米管陣列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)納米片陣列作為鋰離子電池陽極材料進行研究,發(fā)現(xiàn)NiCo2S4納米管陣列和Ni0.50Co0.50MoO4納米片陣列表現(xiàn)出優(yōu)異的鋰電池性能,包括高的實際容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。對于NiCo2S4納米管陣列,在0.2C倍率的50次循環(huán)中,顯示出720 mAh g-1的平均放電容量,稍大于NiCo2S4的理論容量(703 mAh g-1),當(dāng)4C倍率測試后,電流密度恢復(fù)至0.2C,比容量仍為650 mAh g-1,達(dá)到初始0.2C下容量的93%。CV測試表明,NiCo2S4材料的電化學(xué)反應(yīng)包含Ni、Co兩部分的電化學(xué)反應(yīng)行為。對于Ni0.50Co0.50MoO4納米片陣列,在0.2C倍率下,其表現(xiàn)出與CoMoO4(86%)相當(dāng)?shù)难h(huán)性能,50次循環(huán)后的容量保持為89%,遠(yuǎn)高于NiMoO4的37%;而且擁有1100 mAh g-1的平均放電容量,比CoMoO4陣列(850 mAh g-1)提升了~250 mAh g-1。4C倍率下,Ni0.50Co0.50MoO4陣列的放電容量仍為828 mAh g-1,占CoMoO4理論容量的85%,當(dāng)電流密度恢復(fù)至0.2C,比容量為初始0.2C倍率的81%,顯示出優(yōu)異的倍率性能。CV曲線揭示,Ni、Co和Mo均能與Li發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),對電池的容量有貢獻(xiàn)。利用三電極體系對NixCo1-x MoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)納米片陣列/泡沫Ni復(fù)合材料進行超電容性能研究。NixCo1-xMoO4陣列的比電容、循環(huán)性能以及倍率性能均與Ni的相對含量有關(guān)。CV測試證實,NixCo1-xMoO4陣列的比電容主要歸因于Ni和Co與OH-的法拉第贗電容反應(yīng)行為,Ni的相對含量增加有助于NixCo1-xMoO4陣列比電容的提升。在4000次循環(huán)過程中,Ni0.50Co0.50MoO4和Ni0.75Co0.25MoO4陣列的電容表現(xiàn)出相似的線性變化,容量保持率分別為83%和85%,與CoMoO4陣列的86%大致相當(dāng);但第4000次循環(huán)的比電容(分別為1072和1137 F g-1)明顯高于CoMoO4陣列的940 F g-1,表現(xiàn)出增強的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在20 mA cm-2倍率測試后,電流密度恢復(fù)至2 mA cm-2,Ni0.50Co0.50MoO4陣列的比電容仍為初始2 mA cm-2下的92%,顯示出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：鎳鈷硫化物 鎳鈷鉬酸鹽 電極材料 鋰離子電池 超級電容器
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646.54
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-31
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池概述12-19
• 1.2.1 鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 鋰離子電池工作原理13-14
• 1.2.3 鋰離子電池及其電極材料電化學(xué)性能指標(biāo)14-15
• 1.2.4 影響電極材料性能及其應(yīng)用的因素15-16
• 1.2.5 鋰離子電池負(fù)極材料研究進展16-19
• 1.3 超級電容器概述19-28
• 1.3.1 超級電容器發(fā)展簡史19-20
• 1.3.2 超級電容器工作原理20-22
• 1.3.3 超級電容器及其電極材料的電化學(xué)性能指標(biāo)22-24
• 1.3.4 影響電極活性材料及其應(yīng)用的因素24
• 1.3.5 超電容器電極材料的研究進展24-28
• 1.4 多元金屬化合物電極材料28-29
• 1.4.1 鋰離子電池負(fù)極材料28
• 1.4.2 超級電容器電極材料28-29
• 1.5 本論文的立題依據(jù)及研究內(nèi)容29-31
• 1.5.1 立題依據(jù)29
• 1.5.2 研究內(nèi)容29-31
• 第2章 實驗原理與方法31-36
• 2.1 原材料與儀器設(shè)備31-32
• 2.1.1 化學(xué)試劑及原材料31
• 2.1.2 實驗儀器31-32
• 2.2 材料表征方法32-33
• 2.2.1 X射線衍射光譜32
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡和能量分散譜儀32-33
• 2.2.3 比表面及孔徑分析儀33
• 2.3 電化學(xué)測試方法33-36
• 2.3.1 循環(huán)伏安曲線33-34
• 2.3.2 恒流充放電測試34
• 2.3.3 電化學(xué)阻抗譜34-36
• 第3章 多元鎳鈷化合物制備與表征36-45
• 3.1 引言36-37
• 3.2 多元鎳鈷化合物制備37-38
• 3.2.1 泡沫Ni集流體37
• 3.2.2 鎳鈷硫化物制備37
• 3.2.3 鎳鈷鉬酸鹽制備37-38
• 3.3 多元鎳鈷化合物表征38-44
• 3.3.1 NiCo_2S_4表征38-41
• 3.3.2 Ni_xCo_(1-x)MoO_4表征41-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第4章 多元鎳鈷化合物鋰電池性能研究45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 半電池裝配45-46
• 4.3 鋰電池性能研究46-56
• 4.3.1 NiCo_2S_4納米管陣列鋰電池性能46-51
• 4.3.2 Ni_xCo_(1-x)MoO_4納米片陣列鋰電池性能51-56
• 4.4 本章小結(jié)56-57
• 第5章 鎳鈷鉬酸鹽超電容特性研究57-63
• 5.1 引言57
• 5.2 三電極體系57-58
• 5.3 Ni_xCo_(1-x)MoO_4超電容性能研究58-62
• 5.4 本章小結(jié)62-63
• 第6章 結(jié)論與展望63-65
• 6.1 結(jié)論63-64
• 6.2 展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-75
• 攻讀學(xué)位期間研究成果75-76
• 致謝76

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7 王sヶ，

本文編號：1069834