【摘 要】
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作为一种新兴储能技术,超级电容器比传统的电容器具有更高的功率密度和更长的循环使用寿命,近年来赢得了越来越多的关注。由于发生在电极表面及内部快速可逆的法拉第反应,超级电容器可以提供更高规格的电容和能量密度。而作为超级电容器装置的一部分,电极是影响超级电容器电化学性能的关键因素之一。因此,针对超级电容器而言,选择和设计一种高效的电极材料至关重要。尖晶石钴酸铜(CuCo2O4)由于具有较高的导电性和电化
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作为一种新兴储能技术,超级电容器比传统的电容器具有更高的功率密度和更长的循环使用寿命,近年来赢得了越来越多的关注。由于发生在电极表面及内部快速可逆的法拉第反应,超级电容器可以提供更高规格的电容和能量密度。而作为超级电容器装置的一部分,电极是影响超级电容器电化学性能的关键因素之一。因此,针对超级电容器而言,选择和设计一种高效的电极材料至关重要。尖晶石钴酸铜(CuCo2O4)由于具有较高的导电性和电化学活性,且绿色环保,在超级电容器的备选电极材料中表现出较大潜力。论文以CuCo2O4为研究对象,制备了从一维到三维不同形貌的CuCo2O4纳米材料及其复合物,对实验产物进行了微观形貌和晶体结构表征,并将其作为超级电容器的电极,测试并分析了其电化学性能,为电极材料的合理设计提供依据。论文主要研究内容及结果如下:(1)采用水热法在泡沫镍表面制备了一系列不同形貌(纳米针、纳米片和纳米棒)的CuCo2O4阵列。讨论了氟化铵和碱源在不同CuCo2O4阵列形成中的关键作用。电化学测试结果表明,CuCo2O4纳米针阵列在5 m A cm-2的电流密度下比电容可达3.72 F cm-2。此外,将CuCo2O4纳米针阵列作为阳极,活性炭作为阴极制备了非对称超级电容器,获得了较高的能量密度(31.2 W h kg-1)和良好的循环稳定性(2000次循环后电容保留率达到107%)。(2)通过改变水热过程中表面活性剂的种类,制备了三维海胆状、花状、松针状的CuCo2O4纳米材料(U-CuCo2O4,F-CuCo2O4,P-CuCo2O4)作为超级电容器的电极。在三种电极材料中,U-CuCo2O4电极展现出最理想的电化学性能,在电流密度为1 A/g时具有647.1 F/g的较高比电容,经过4000次循环后其电容保持率为92%,证明其良好的循环稳定性。(3)采用两步水热法,以CuCo2O4纳米针为支架,在其上生长ZnCo2O4纳米片,合成了具有核壳结构的CuCo2O4@ZnCo2O4复合纳米材料。通过三电极系统测试发现,CuCo2O4@ZnCo2O4复合电极在2 A/g的电流密度下比电容为958.3 F/g,在经过4000次循环后比电容仍保有97.1%。此外,以核壳CuCo2O4@ZnCo2O4为阳极,活性炭为阴极,制备了全固态非对称超级电容器,在功率密度为3747.6 W kg-1时,具有30.2 W h kg-1的能量密度,循环稳定性也较为理想(4000次循环后电容保留率96.3%)。可见,具有优异电化学性能的核壳CuCo2O4@ZnCo2O4纳米针阵列作为高性能储能材料可能有较好的应用前景。
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