【摘 要】
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超级电容器相比较于传统的电容器,其具有更大的容量,可以作为能量转换系统中用于即时储能的器件。电极材料是超级电容器中最重要的组成部分,决定了器件存储能力的大小,因此研究和开发具有高性能的电极材料能有效促进超级电容器的商业化进程。钴元素容易与氧、硫等元素发生反应并生成对应的氧化物和硫化物,这些化合物性质活泼、理论容量高,是比较好的电极材料。但实际应用时因为导电性能低导致实际容量低于理论容量,经过长时间
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超级电容器相比较于传统的电容器,其具有更大的容量,可以作为能量转换系统中用于即时储能的器件。电极材料是超级电容器中最重要的组成部分,决定了器件存储能力的大小,因此研究和开发具有高性能的电极材料能有效促进超级电容器的商业化进程。钴元素容易与氧、硫等元素发生反应并生成对应的氧化物和硫化物,这些化合物性质活泼、理论容量高,是比较好的电极材料。但实际应用时因为导电性能低导致实际容量低于理论容量,经过长时间充放电导致结构坍缩畸变,使用寿命大幅缩减,难以商业化应用。目前调控电极材料性能的方式主要有杂原子掺杂、两相复合等手段。碳材料作为一种优良的导体能弥补钴基化合物导电性不足的缺陷,而且碳材料具有较好的力学性能,可以缓冲体积应变,是一种非常优秀的载体。为了促进钴基超级电容器的发展,本课题重点研究了不同种类的生物衍生碳与各种钴基硫化物的两相复合结构,主要研究如下:（1）以生物酵母为原料经过高温煅烧制得石墨化程度较高的碳纳米微球（CMS）,通过水热法负载了Co3S4,合理设计了新型的Co3S4/CMS复合材料。研究发现Co3S4的容量较低,稳定性差,但与CMS复合后性能明显改善。在电流密度为5 A g-~1的情况下,单体比容量为102.2 C g-1,Co3S4/CMS明显提升达到了196.2 C g-1,并且循环4000圈后的比容量保持率在91.2%。此外,用Co3S4/CMS复合材料做正极与活性炭（AC）负极组合成非对称超级电容器,其能量密度达到了26.2 Wh kg-~1,远高于Co3S4组成的非对称超级电容器的19.2 Wh kg-~1。（2）以天然酵母菌为原料,通过水热法制备碳球,并以CMS为基质生长出NiCo2S4纳米棒。NiCo2S4/CMS具有优异的比容量（电流密度为1 A g-~1时为147.04m Ah g-~1）和更强的循环性能（5000次循环后的容量保持率为89.7%）。为了进一步评价NiCo2S4/CMS电极的实际应用,与AC组成器件,在电流密度为1 A g-~1时,比容量达到42.6 m Ah g-~1,功率密度为886.5 W kg-~1,能量密度达到36.1 Wh kg-~1。结果表明,NiCo2S4/CMS是一种具有较强循环稳定性的高性能超级电容器电极材料。（3）以香蒲绒毛衍生碳（CDC）为基体利用水热法制备负载了三维纳米薄片结构的CoS2。其独特的三维多孔结构具有较大的比表面积,有利于电解液渗透,而作为基体的衍生碳导电性能优异,为电子的快速转移提供通道,从而提升电容。同时又能很好的缓冲充放电时的体积膨胀,提高循环稳定性。基于上述优点,三维多孔片状的CoS2/CDC表现出良好的电容性能,同时稳定性显著优于单体材料,4000次循环后,比容量稳定在114%左右。与活性炭组装的混合超级电容器也具有良好的性能,在功率密度为971.5 W kg-~1的情况下,能量密度达到了34.6 Wh kg-~1,是一种具有广阔应用前景的电极材料。
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