【摘 要】
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超级电容器作为一种新型电化学储能器件,因其具有充电速度快,使用寿命长等优点已广泛应用于家用电器、交通运输、军事及航空航天等领域。超级电容器的性能主要取决于电极材料的结构和性质,而目前的电极材料,如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等,因存在结构可调整性差、电阻高和循环稳定性差等问题,限制了超级电容器在储能领域中的大规模应用。金属磷化物由于具有类金属特性和良好的导电性,在能源体系的研究中成为热点。目前,
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超级电容器作为一种新型电化学储能器件,因其具有充电速度快,使用寿命长等优点已广泛应用于家用电器、交通运输、军事及航空航天等领域。超级电容器的性能主要取决于电极材料的结构和性质,而目前的电极材料,如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等,因存在结构可调整性差、电阻高和循环稳定性差等问题,限制了超级电容器在储能领域中的大规模应用。金属磷化物由于具有类金属特性和良好的导电性,在能源体系的研究中成为热点。目前,金属磷化物的制备需要额外添加磷源,一方面会造成磷元素在材料内部分布不均,产物结构可控性差,活性位点比例低;另一方面磷的燃点低,使得生产工艺存在一定的安全隐患。磷酸基金属有机骨架(MOFs)材料由于具有比表面积大、结构可调、孔径均一及金属、非金属元素分布均匀等特点,在储能领域受到了广泛关注。鉴于此,本文围绕高温热解磷酸基MOFs制备金属磷化物的思路展开研究,利用SEM、TEM等技术手段分析材料的形貌结构,并利用电化学分析方法对其超级电容器性能进行了详细的研究。主要内容与结果如下:1、通过高温热解磷酸基Ni-MOFs和Co-MOFs的方法,分别制备了具有核壳结构的NixP和网状结构的CoxP。实验结果表明,NixP粒径约60~80 nm,在1A/g的电流密度下,NixP-800-450的比电容达到870 F/g。经1500次循环后,电容保持率为71%。而CoxP-900-450的比电容为184 F/g,经3000次循环后,电容保持率仍为100%。以NixP-800-450作为正极材料,碳布作为负极材料组装成的非对称超级电容器,在1 A/g的电流密度下,能量密度达到18.63 Wh/Kg,功率密度为936.2 W/Kg,表现出良好的超电性能。2、以ZIF-8为模板剂,制备磷酸基Ni-MOFs/ZIF-8复合物,并通过高温热解的方法,制备了系列ZIF-8-NixP/C材料。实验结果表明,在1 A/g的电流密度下,ZIF-8-NixP/C-950-450-26比电容达到856 F/g,经过3500次循环后,电容保持率达到97%。ZIF-8模板的引入,可以有效增大NixP颗粒的比表面积,加速电解质离子在电极材料内的转移速度,从而提高其超级电容器性能。3、一步法合成磷酸基Ni-MOFs/CNT复合物,并通过高温热解的方法,制备了系列NixP/CNT材料。该方法得到的NixP颗粒的粒径降低至15~30 nm。电化学测试结果显示,在1 A/g的电流密度下,NixP/CNT-5的比电容为1000 F/g。经过6000次循环后,电容保持率仍维持在100%。以NixP/CNT-5作为正极材料,碳布作为负极材料组装的非对称超级电容器,在1 A/g的电流密度下,能量密度达到23.22 Wh/Kg,功率密度为950.1W/Kg,表现出更优的超电性能。
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