论文部分内容阅读
超级电容器作为能量存储器件的一个重要分支,兼具传统介电电容器和电池的优点,具有功率密度高,循环寿命长和维护方便等特点,因此大量的研究工作都在致力于开发性能优异的超级电容器电极材料。其中,镍钴双金属化合物作为一种赝电容材料,具有丰富的氧化还原态、超高的理论电容、丰富的储量和对环境友好等优点,近年来备受关注。但是,由于其本征导电性较低和脆性大等缺点使得倍率性能和循环稳定性较差。三维石墨烯具有大的比表面积、高的导电性、有序的多孔结构、高的力学强度,能够进行快速的离子传输和电子传递,因此可以作为理想的基底来构筑镍钴双金属化合物/石墨烯复合电极。三维石墨烯的引入不仅可以缓冲镍钴双金属化合物在电化学过程中的体积变化,还可以提供一定的双电层电容,从而提高复合材料的电容性能和倍率性能以及循环稳定性。本文选用镍钴双金属化合物和三维石墨烯作为电化学活性材料,以高导电性的多孔泡沫镍作为集流体,通过简单的水热法和电沉积法,制备得到三维自支撑且具有分级多孔结构的NiCo2O4/石墨烯和KNixCo1xPO4/石墨烯复合材料电极,对其结构、组成、表观形貌、比表面积、孔径分布和电化学性能进行了系统的研究,进一步制备了两电极不对称器件并研究其电化学性能。具体工作如下:1.通过水热法得到内嵌有泡沫镍的石墨烯水凝胶（GF）,具有较大的比表面积、开放的孔结构和良好的导电性,接着以GF为基底直接通过一步电沉积法在石墨烯片层上生长NiCo2O4纳米片,无需退火过程,得到NiCo2O4/石墨烯复合材料（NGF）。（1）在电沉积温度分别为0℃、25℃和50℃下,制备得到NGF-0、NGF-25和NGF-50三种复合材料,其中NGF-25具有良好的分级多孔结构,孔的分布从介孔到大孔,比表面积在三种复合材料中最高,为206m2/g。并且NGF-25具有最好的电化学性能,在2mA/cm2的电流密度下,面积比电容为3840mF/cm2,在电流密度为50mA/cm2时,仍保有原有电容的71.6%。（2）为了研究NGF复合材料在实际器件中的应用,以NGF-25为正极,GF为负极组装成NGF-25//GF不对称超级电容器,其工作电压窗可以扩展到1.4 V,最大能量密度和最大功率密度可以达到65 Wh/kg和18.9 kW/kg。并且在经过一段时间的充电处理后,可以点亮LED灯,在2 mA/cm2的电流密度下进行5000次充放电循环后,其电容保持率仍有初始电容的92%,表明其循环稳定性优异。2.以泡沫镍为集流体,通过一步水热法得到四种不同镍钴摩尔比的KNixCo1-xPO4·H2O/石墨烯复合材料,分别为KNiPO4·H2O/石墨烯（KNP/G）、KNi0.33Co0.67PO4·H2O/石墨烯（KNCP-0.5）、KNi0.67Co0.33PO4-H2O/石墨烯（KNCP-2）和KCoPO4 H2O（KCP）。（1）KNixCo1-xPO4·H2O片均匀的分散在石墨烯片层上,其中KNCP-2/G具有良好的分级多孔结构,KNCP-2纳米片相互连接形成花朵状点缀在石墨烯片上,形成开放的孔结构,并且石墨烯本身的孔结构得到了很好的保持。电化学测试表明KNCP-2/G具有最好的电化学性能,在2 mA/cnm2电流密度下,面积比电容高达3240 mF/cm2,在50 mA/cm2时,电容保持率可以仍为初始值的72.1%,具有良好的倍率性能。（2）以KNCP-2/G为正极,活性炭（AC）为负极,组装得到KNCP-2/G//AC不对称器件,其工作电压窗可以扩展到1.5 V。其能量密度和功率密度最高可以达到34.3 Wh/kg和11.3 kW/kg。在充放电5000次以后,电容保持率为88.6%,说明该不对称器件的循环稳定性良好。