硼掺杂的钴氧化物/氢氧化物电极材料的制备与赝电容性能研究

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过渡金属氧化物/氢氧化物是一类重要的超级电容器电极材料,具有良好的电化学性能。钴氧化物/氢氧化物电极材料具有可逆性好、电容量高等优秀特性,近年来成为研究热点。硼及其化合物具有典型的缺电子特性,硼掺杂能提高氧化物电极材料的导电性、耐蚀性以及电化学性能。为确定最佳的硼掺杂量,以及基底材料对电极材料电容性能的影响,本论文通过化学镀再电化学氧化,在两种基底(铜片和泡沫铜)表面制备出了不同硼掺杂量的钴氧化物/氢氧化物电极材料,经过结构表征和电化学性能测试,结果如下:(1)以铜片为基底材料的四种电极材料Co3O4/Co(OH)3、Co3O4/Co(OH)3(0.5B)、Co3O4/Co(OH)3(1B)、Co3O4/Co(OH)3(2B)表面相结构主要由Co3O4和Co(OH)3构成,B以氧化物的形式掺杂其中。当B掺杂量逐步提高时,电极材料的表面微球结构的尺寸减小数目增加,故而电极材料的比表面积、比电容和能量密度都会提高。四种电极材料的循环伏安曲线均表现出良好的可逆性以及明显的赝电容特性。恒电流充放电实验表明当充放电电流密度增大时,四种电极材料的比电容量也相应降低。在充放电电流密度为1 m A/cm~2的条件下比电容值分别为5.5 F/cm~2,8 F/cm~2,11.5 F/cm~2,16 F/cm~2。循环性能测试表明,经过一万次循环充放电,四种电极电容维持率分别达到了98%、102%、101%、106%,其中Co3O4/Co(OH)3(2B)电极材料的电化学性能最优。电化学阻抗测试结果表明电极材料掺入B后,电极材料表面电化学反应的电荷传递电阻逐渐变小及离子扩散速率也有了显著改善,从而表现出优异的电化学性能。(2)以泡沫铜为基底材料时,制备出的四种电极材料FCu/Co3O4/Co(OH)3、FCu/Co3O4/Co(OH)3(0.5B)、FCu/Co3O4/Co(OH)3(1B)、FCu/Co3O4/Co(OH)3(2B)的成分、相结构与以铜片作基底材料无太大差异,电极材料并未破坏泡沫铜的三维网络结构而是分布在网络骨架的近外表面壁上。循环伏安测试结果表明四种不同硼掺杂量的电极材料依然具有良好的可逆性和赝电容特性。恒电流充放电实验显示在1 m A/cm~2充放电电流密度下四种电极材料的比电容值有着显著差异,分别为44.5 F/cm~2、94.4 F/cm~2、120 F/cm~2和125 F/cm~2。循环性能测试表明,经过一千次的循环实验,四种电极电容维持率分别达到了99%、118%、127%、147%。泡沫铜基底表面的四种电极材料较铜片基底的比电容性能提高了近7倍左右,这是由于泡沫铜表面巨大的比表面积和网络状快速扩散通道使得负载的电极材料表面电化学反应更充分和快速,从而体现出更好的电化学性能。
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