【摘 要】
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超级电容器具有功率密度高和循环寿命长等优点满足了现代社会对新能源器件的重大需求。电极材料是超级电容器最重要的组成部分,其中,镍基磷化物具有电化学活性高和成本低等优点是非常理想的电极材料,但它仍存在倍率性较差、循环稳定性低的问题。针对以上问题,本论文通过结构设计、成分调控和结构复合的改性方式开展了以下工作:(1)金属镍强化的Ni-Co-P电极材料的制备及电化学性能研究:为提高Ni-Co-P的导电性,
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超级电容器具有功率密度高和循环寿命长等优点满足了现代社会对新能源器件的重大需求。电极材料是超级电容器最重要的组成部分,其中,镍基磷化物具有电化学活性高和成本低等优点是非常理想的电极材料,但它仍存在倍率性较差、循环稳定性低的问题。针对以上问题,本论文通过结构设计、成分调控和结构复合的改性方式开展了以下工作:(1)金属镍强化的Ni-Co-P电极材料的制备及电化学性能研究:为提高Ni-Co-P的导电性,本工作通过水热和化学沉积工艺,制备了金属镍纳米颗粒修饰的核壳结构Ni-Co-P@Ni电极材料。表征结果显示,材料在1 A g-1的电流密度时比容量可达510 C g-1,以Ni-Co-P@Ni复合电极作为正极,活性炭(AC)作为负极所组成超级电容器器件(Ni-Co-P@Ni//AC),最大比能量为39.6 Wh kg-1,最大比密度为11.9 k W kg-1,器件在1000次连续的充电/放电循环后可保持98.6%的电容,表现出良好的电化学循环稳定性。材料优异的电化学性能得益于两部分:其内核双金属丰富的化学价态可提供更多的氧化还原反应和活性位点,外壳的金属镍层提高导电性,加速电子传输速率;核壳结构能够增加电解质离子的扩散路径,提高材料的利用率和循环稳定性。(2)磷用量对Ni-Co-P电极材料的电化学性能影响机理研究:水热过程中通过调控磷用量,以研究磷含量对材料导电性的影响,并在此基础上探究了不同磷用量对产物物相、理化性质和电化学性能的影响。结果显示,磷用量的不同会直接导致产物中起着电子导电剂作用的Ni金属颗粒及磷酸盐副产物的存在量,从而影响着产物的电化学性能。值得注意的是,本工作在磷用量为2 mmol时,出现了Ni-Co-P与Ni内部复合的现象。以Ni掺杂Ni-Co-P电极为正极,亲水性柚皮碳(OPC)电极为负极,组装成Ni-Co-P//OPC非对称超级电容器。其最大能量密度为34 Wh kg-1,最大功率密度为5.2 k W kg-1,3000圈循环后电容保持率89.32%。(3)Ni2P-Ni2P4O12复合材料的制备及电化学性能研究:Ni2P理论容量高,但存在循环性差的问题。本部分工作采用结构稳定的偏磷酸盐作为保护Ni2P的机械层,以改善Ni2P的电化学性能。通过低温固相法调控磷化时间和磷源用量得到Ni2P-Ni2P4O12不同物相比例的样品,研究了它们的生长机理并测试它们的电化学性能差异。以Ni2P-Ni2P4O12为正极,OPC为负极组装成Ni2P-Ni2P4O12//OPC器件。结果表明在1 A g-1电流密度下经过2000次循环之后,Ni2P-Ni2P4O12-1.5//OPC的电容保持率可高达90%,实现了高循环稳定性的目标。
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