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超级电容器作为一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件,具有较快的充放电速率、较高的功率密度、较长的循环寿命、较宽的工作温度范围、环境友好等优点。电极材料是决定其性能的关键因素,由于赝电容电极材料具有比双电层电容更高的能量密度,成为近年来研究的热点之一。Ni(OH)2具有较高的理论比电容和价格低廉等优点,但同时也存在导电性较差,粒子易团聚等困扰,因此通常与碳材料制备成复合材料,以改善其电化学性能。导电炭黑Vulcan XC-72(XC-72)中孔率高、导电性较好,是一种Ni(OH)2纳米颗粒的优良载体。本课题组首次采用XC-72合成的Ni(OH)2/XC-72复合物具有较高的比电容,但其循环稳定性和倍率性能尚需进行进一步提高。本论文将通过简单、有效的方法提高Ni(OH)2/XC-72复合物的电容性能。首先从载体入手,一方面采用混酸(浓硝酸和浓硫酸)对XC-72进行改性得到表面具有含氧基团的碳材料functionalized-XC-72(f-XC-72),将Ni(OH)2粒子锚定在碳材料上,抑制充放电循环过程中Ni(OH)2粒径的长大,改善其循环稳定性。另一方面,对XC-72进行高温热处理(T-XC-72),除去其表面部分基团,增强碳材料的导电性,提高Ni(OH)2/XC-72复合物的倍率性能。然后考虑改善Ni(OH)2颗粒自身的性能,通过引入Co源,不仅细化Ni(OH)2粒径而且改善Ni(OH)2的导电性,最后制备出综合性能优异的Ni-Co 双氢氧化物/XC-72 复合物(Ni-Co-DH/XC-72)。本论文采用红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TGA)等手段表征了 XC-72改性前后表面基团的变化情况。采用X-射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、比表面积测试(BET)等分析方法对复合物电极的形貌、结构进行表征。采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)、交流阻抗谱(EIS)等测试复合物的电化学性能。具体结果如下:(1)通过浓硫酸和硝酸(H2S04:HN03=3:1)改性XC-72弓引入含氧基团。从FT-IR、XPS、TGA结果表明,f-XC-72表面含氧基团比XC-72明显增多。XRD、TEM、SEM,BET结果表明复合物中Ni(OH)2粒径减小,比表面积增大。当反应温度为60°C,反应时间为3 h时,制备的Ni(OH)2/f-XC-72电容性能最优。未改性的XC-72制备的Ni(OH)2/XC-72复合物,在扫描速率为2 mVs-1时比电容为1250 F g-1 20 mV s-1为918 F g,XC-72 改性后,Ni(OH)2/f-XC-72 复合物的比电容为 1381 F g-1 @2 mV s-1,1139F g-1@20 mV s-1。当扫描速率从2 mV s-1增加到20 mV s-1时,改性XC-72使复合物的倍率性能从73.4%提高到82.5%。在100 mV s-1扫描速率下经过1000次循环后,Ni(OH)2/f-XC-72电容保持率为84.5%(Ni(OH)2/XC-72为72.3%),循环稳定性也有了极大提升。(2)对XC-72进行高温热处理。当热处理温度为600℃、处理时间为1.5h时,制备的Ni(OH)2/T-XC-72复合物电容性能最优。Ni(OH)2/T-XC-72复合物的比电容为1440 F g-1@2 mV s-1 1210 F g-1 @20 mV s-1,倍率性能从73.4%提高到84.5%。在电流密度为1 A g-1时,比电容可达1596 F-1,在10 A g-1时比电容仍然保持在68%(Ni(OH)2/XC-72为62%)。在10 Ag-1下1000次循环后,电容保持率为73.1%(Ni(OH)2/XC-72为60.3%)。(3)引入Co源。XRD、SEM、TEM、XPS等表征结果表明,相对于Ni(OH)2,Ni-Co-DH具有更小的粒径。电化学测试结果表明,当沉降pH值为11.5,沉降时间为10h,Ni/Co=2:1,功率为700 W的微波炉中加热3 min得到的镍钴双氢氧化物/XC-72复合物(Ni-Co-DH/XC-72)具有最优的电容性能其比电容为1357 Fg-1 @1 Ag-1。虽然比Ni(OH)2/XC-72的比电容略低,但是其倍率性能(10Ag-1时比电容保持率为92.1%)、库伦效率(95%)和循环稳定性(在10Ag-1下经过1000次充放电循环后,电容保持率为90.1%)都有了极显著的提高。(4)以无纺布作隔膜,将所制备的电极材料与活性炭组装成的非对称型超级容器(ASC)。当电流密度为0.5 A g-1时,AC//Ni(OH)2/f-XC-72比电容为102 F g-1,最大能量密度达 48 Wh kg-1@522 W kg-1;AC//Ni(OH)2/T-XC-72 比电容为 96.7 F g-1,最大能量密度达 42 Whkg-1@498 W kg-1;AC//Ni-Co-DH/XC-72 比电容为 92.7 F g-1,最大能量密度达41 Whkg-1@467Wkg-1。改性后得到的单体电容器电化学性能良好。综上所述,本论文采用的三种方法均能改善Ni(OH)2/XC-72复合物的电容性能,且组装的非对称型超级电容器性能优异,这将为超级电容器的实际应用开辟一个新方向。