钴基氢氧化物电极材料制备及电化学性能研究

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在各种储能设备中,具有高功率密度、长循环稳定性的超级电容器备受关注。但其无法同时保持高功率密度、长循环稳定性和高能量密度,导致实际应用受到限制。电极材料对超级电容器性能起着重要作用。所以,多数研究集中在电极材料的制备。Co(OH)2电极材料层间距较大、理论比电容较高,被认为极具发展前景,但其成本较高、导电性较差和实际比电容较低等问题,无法达到超级电容器实际应用要求。本文采用水热法,通过引入过渡金属元素(Fe、Ni)在泡沫镍上制备了Co-Fe、Co-Ni-Fe二元和三元氢氧化物电极材料,探索了不同工艺参数对样品形貌和电化学性能影响。具体研究内容如下:(1)采用水热法,在泡沫镍上成功制备了Co-Fe二元氢氧化物(CoFe-BH)纳米线结构,其比表面积和平均孔径分别为7.34 m~2g-1和12.78 nm。考察了反应温度、氟化铵用量和反应时间对其样品形貌的影响,着重分析了不同反应时间所制备CoFe-BH样品的电化学性能差异,优化出最佳制备工艺。电化学测试表明,CoFe-BH样品在反应时间为7 h时表现出最高的比电容。CoFe-BH-7电极材料在1 A g-1电流密度时比电容为872.33 F g-1,高于CoFe-BH-5电极(669.47 F g-1)和CoFe-BH-9电极(517.84 F g-1)。循环稳定性测试表明,CoFe-BH-7电极材料在5 A g-1下1000次充放电测试后,比电容保持为初始比电容的56.5%,并且整个充放电过程中库仑效率保持在100%左右,展现出好的循环稳定性。(2)采用水热法,通过向Co-Fe二元氢氧化物体系中引入Ni元素,在泡沫镍上成功制备出海胆状Co-Ni-Fe三元氢氧化物(CoNiFe-TH)纳米针结构,其比表面积和平均孔径分别为20 m~2g-1和14.95 nm。通过XRD、TEM、XPS等表征证实所制备样品为Co-Ni-Fe三元氢氧化物。分析了在不同反应时间、尿素用量以及反应温度下CoNiFe-TH样品形貌的变化情况。着重讨论了不同反应温度所制备CoNiFe-TH样品的电化学性能差异。结果表明,反应温度为100℃所制备海胆状CoNiFe-TH-100纳米针结构具有最高的比电容。海胆状CoNiFe-TH-100电极在1 A g-1电流密度时比电容为1318.52 F g-1,高于CoNiFe-TH-80电极(955.55 F g-1)、CoNiFe-TH-120电极(1259.26 F g-1)和CoNiFe-TH-140电极(890.74 F g-1);海胆状CoNiFe-TH-100电极在5 A g-1下1000次充放电测试后,比电容保持为初始比电容的63.3%。
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