超级电容器,具有高功率密度、超长稳定性、快速充放电和安全、环保等特点,被广泛应用于大量可移动电子设备中。但是较低的能量密度是超级电容器一直为人诟病的缺点。电极材料是超级电容器的重要组成部分,同时也是影响其性能的主要因素,如何制备具有高比电容的电极材料以及深入、透彻地理解电极材料的储能机理则是研发具有高能量密度超级电容器的关键所在!赝电容材料,利用电化学活性位点进行可逆的、快速的氧化还原反应,所以赝电容材料储存电荷的能力在相同的条件下,远大于双电层材料储存电荷的能力。因此,本论文以制备具有高比电容的赝电容材料和探究材料的储能机制为出发点,开展了如下研究工作:1.我们选取金属有机框架ZIF-67为模板与石墨烯复合,在酸性条件下,利用共沉淀的方法制备纳米笼状结构氢氧化钴石墨烯复合材料。笼状结构增加了氢氧化钴的电化学活性位点,与具有高电导率的石墨烯复合提高了材料综合性能。纳米笼状结构氢氧化钴与石墨烯的复合电极材料除了显示了高的比电容和倍率性,也提高了其循环稳定性(在2和32 Ag-1的电流密度下,比电容分别为382和156 Fg-1。经过2000次循环后,比电容能够保持初始比电容的96.1%)。与石墨烯的复合提高了材料的电导率、降低了电阻从而提高材料的倍率性能。复合材料也有效地缓冲了充放电过程中的体积变化,其循环使用寿命得到提高。2.利用电化学沉积的方法成功的制备了垂直生长氢氧化钴纳米片/碳纤维纸复合电极材料(Co(OH)2/CFP)。复合电极材料在浓度为1 M的氢氧化钾电解液中最大比电容在2 Ag-1的电流密度下可达800 Fg-1。即使在32 Ag-1的电流密度下,Co(OH)2/CFP的比电容仍然可达到523 Fg-1。经过15000次循环,电极比电容可保持最初比电容的92%以上。利用这种复合电极材料制备的Co(OH)2/CFP//AC非对称超级电容器在获得20.74 Wh kg-1能量密度的同时,功率密度可到达1450 W kg-1。并且该电容器表现稳定,经过3000次充放电循环,电容可保持其初始值得94.2%。电化学沉积方法避免使用粘结剂,既降低了内阻又提高了电极接触面积,电极的综合性能。得到提高3.利用原位X射线吸收谱表征手段和电子显微分析,辅以理论计算和其他表征手段,深入地探究了氢氧化钴的储能机制。氢氧化钴中的氢离子模拟锂离子电池在氢氧化钴片层中嵌入脱出,储能反应从电极材料的表面向体相内延伸,使得氢氧化钴有高的比电容;而充放电两相之间的结构相似性使得氢氧化钴具有优良的倍率性和稳定性。Co(OH)2以结构相似性为基础的模拟电池的储能机制使得超级电容器和电池之间的界线变得模糊,并对未来高能量密度超级电容器或高功率密度电池的发展提供了新思路。4.首次以具有垂直结构的氢氧化钴为模板和前驱体,通过逆向转化方法制备具有高取向的金属有机框架作为超级电容器的电极材料。利用简单的水热合成方法,在碳纤维纸上制备具有高取向的Co Ni-MOF。Co Ni-MOF的比电容在电流密度为2Ag-1下可达1044 Fg-1。相应地,我们制备的Co Ni-MOF//AC非对称超级电容器可获得最大能量密度28.5 Wh kg-1和最大功率密度24000 W kg-1。并且该电容器表现稳定,经过5000次循环,电容保持率可达94%。5.最后,我们成功地研发了适用于氢氧化钴的耐低温电解液。该电解液使Co(OH)2/CFP//AC非对称超级电容器可在-40℃至70℃范围内工作而且稳定,大大拓宽了该类超级电容器的温度shi’yong适用范围。在室温下,Co(OH)2/CFP//AC非对称超级电容器在该混合电解液中的能量密度可达23.28 Wh kg-1。而在-40℃时,能量密度为11.33 Wh kg-1,能量密度保持率为48.67%在-40℃经过500次的充放电循环,其能量密度仍能达到初始的96%。该电解液使得氢氧化钴非对称超级电容在极端条件下也可正常工作,大大增加了其使用价值。