NiO纳米片的电子结构调控及储能性能的研究

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超级电容器是最有前途的新型储能器件之一,具有高倍率性能、长循环寿命、安全性能高等优点。碳材料是是常用的超级电容器电极材料,但其较低的能量密度阻碍在实际中的应用。过渡金属氧化物具有成本低、资源丰富、高的氧化还原活性等优点,被看作是有前景的电极材料种类之一。超级电容器的储能是通过电极材料提供的活性位点或者表面原子来储存电能的,因此其活性位点或表面原子越多,电极储存电能的能力就越强。通过对材料的微观形貌进行合理的设计,能够提高材料的比表面积(即使得更多的活性位点或表面原子储存电能),同时还能给电解液离子提供有效的扩散通道。为了进一步提升电极的储能能力,通常利用两种不同的材料进行复合,使材料在复合之后既保留了原有的优势,同时利用另一种材料弥补缺陷,进而提升复合材料的整体电化学储能性能。众所周知,将电极材料涂布在集电极表面,通常需要加入粘接剂使材料能依附在集电极上而不脱落,但粘接剂的使用会让电极的内阻增加,从而影响电极的性能。为此将活性材料直接沉积在集电极表面能有效的避免粘接剂的使用,防止电极内阻不必要的增加。基于此,本文通过反应动力学对材料合成的影响,对材料的微观形貌进行精准控制并将其成功沉积在集电极的表面,对其电化学性能的变化进行一系列的研究。实验以泡沫镍作为基底,利用水热法和热处理法,设计并成功的将介孔NiO纳米片和CoMoO4沉积在泡沫镍的表面,成功制备NiO/NF和CoMoO4/NF;然后将所制备的NiO/NF电极材料作为基底,利用水热法将CoMoO4纳米片沉积在介孔NiO的纳米片的表面,成功制备NiO@CoMoO4纳米片/NF电极,并深入研究微观形貌与电化学性能之间的联系。文中利用SEM、XRD、TEM、XPS等表征手段对所制备材料的形貌和结构进行表征,利用循环伏安曲线(CV)、恒电流充放电(GCD)、电化学阻抗(EIS)和循环寿命测试对所制备的电极进行电化学储能性能的评估。结果证明,所制备的NiO@CoMoO4纳米片/NF电极具有更好的电化学储能性能,在电流密度为1 A/g是比容量最大为1097 F/g,而NiO/NF和CoMoO4/NF仅仅只有173 F/g和349 F/g,远远小于两种材料复合之后的电化学性能,这归因于两种材料复合后的协同作用;同样在将其组装为非对称超级电容器之后NiO@CoMoO4纳米片/NF所展现的能量密度最高位25.8Wh/kg,功率密度为894.7 W/kg,高于单一材料的电极。通过3000圈的循环寿命测试后,仍能保持原有比容量的100%,同样优于两种单一材料,进一步证实了该材料的制备方法的前瞻性。为将复合材料的微观形貌精确的设计并成功沉积在集电极表面提供一种有效的策略。
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