镍钴氧化物/硫化物复合电极材料的制备及其电化学性能研究

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超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、环境友好等优点,受到了人们的广泛关注。但低能量密度的缺点阻碍了其在许多领域的应用。开发具有高能量密度的超级电容器,使其能够用作一次电源,是当前的研究重点。金属氧化物/硫化物因高电容和优异的电化学反应活性,成为了当前研究的热点超级电容器电极材料之一。然而,由于金属氧化物/硫化物在动力学上缺少支持高功率密度所需的快速电子/离子传输途径,同时存在导电性差,结构容易团聚等问题,从而导致制备的电极容量低,循环稳定性差等问题。设计材料的微观结构,并与具有高导电性、高稳定性的材料进行复合,可有效解决上述问题,从而得到具有优异性质的电极材料。本文以镍钴氧化物/硫化物为研究对象,将其与碳材料以及MXene等材料进行复合,从而得到具有高能量密度和高稳定性的电极材料。研究内容如下:(1)以不同粒径的二氧化硅纳米微球为模板,通过水热法制备镍钴前驱体,经过刻蚀煅烧等过程得到钴酸镍空心球,最后采用盐酸多巴胺作为碳源进行碳包覆,得到Ni Co2O4 HS@C。三电极体系的测试结果表明:在1 A g-1的电流密度下,NiCo2O4 HS@C电极具有1290 F g-1的高比电容,5000次充放电循环后(5 A g-1),仅衰减了8.7%的比电容。与活性炭电极组装成Ni Co2O4 HS@C//AC非对称超级电容器。该装置在800 W kg-1功率密度下具有40.88 Wh kg-1的高能量密度。经过5000次充放电循环后,其容量损失率仅为0.8%。(2)使用水热法制备NiCo2O4纳米微球,通过CTAB对其进行改性,利用静电自组装的方法与MXene复合得到MXene/NiCo2O4复合材料。研究结果表明:MXene/NiCo2O4电极在1 A g-1的电流密度下的比电容可达1025 F g-1,容量比单一的NiCo2O4纳米微球几乎高出一倍,同时具有优异的倍率性能(10 A g-1时具有81%的初始容量)。与活性炭负极组装成非对称超级电容器后,在800 W kg-1功率密度下具有36.67 Wh kg-1的高能量密度。(3)使用SiO2作为模板,通过化学沉积的方法,制备出了在改性后的碳布上自生长的NiCo2S4空心球。测试结果表明:得到的NiCo2S4 HS/CC电极在1 A g-1的电流密度下具有1498.8 F g-1的高比电容。电流密度增大20倍后,仍然具有76%的初始容量。组装的NiCo2S4 HS/CC-2//AC同样也具有优异的循环稳定性(5000次循环后具有97.5%容量保持率)和高的能量密度(35.44 Wh kg-1)。
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