水热电沉积制备硫/钴/镍/氧/复合物及其在超级电容器中的应用研究

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超级电容器作为一种新型储能器件,具有高功率密度、优异的循环稳定性能、成本低、环境友好等优点,应用前景广阔。但和锂电池相比,超级电容器能量密度低,限制其实际应用。电极材料作为影响超级电容器的电化学性能的重要组成部分,成为研究热点。过渡金属化合物具有高理论比容量、高导电性、原料丰富等优点被认为是理想的电极材料。为了获得更高能量密度、循环稳定的电极材料,本论文采用水热电沉积法,以碳纤维纸为正极、泡沫镍为负极,制备硫/钴/镍/氧复合电极材料,并探究了沉积温度、电流密度、沉积时间对电极材料的物相、形貌、结构、电化学性能的影响。最后以最佳工艺条件下制备的电极材料作为正极与活性炭负极材料组装成电池型超级电容器,对其电化学性能综合评估。主要研究内容如下:(1)沉积电流密度为8mA·cm-2,当沉积温度为90℃和100℃时,产物为六方相的Ni5O(OH)9和立方相的Co9S8;沉积温度为110℃时,产物为Ni5O(OH)9相、Co9S8相和单斜Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O相;沉积温度为120℃和130℃时,产物为Co9S8相、Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O相和六方相的Ni3S2。不同温度下沉积样品的微观形貌均为纳米片状。在沉积温度为120℃下制备的电极材料的循环稳定性能最好,在2A·g-1下循环2800次后,电容保持率为初始容量的80%。(2)沉积温度为120℃,当沉积电流密度为6 mA·cm-2时,产物为Ni5O(OH)9相和Co9S8相;沉积电流密度为8mA·cm-2时,产物为Co9S8相、Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O相和Ni3S2相;沉积电流密度10 mA·cm-2时,产物为Co9S8相、Ni5O(OH)9相。随着沉积密度增大,纳米片交错形成三维多孔结构变得更加致密,并且发生团聚形成球形颗粒倾向增大。沉积电流密度为8 mA·cm-2的电极材料在1A·g-1时,其质量比电容为127.8 mAh·g-1,而且它的循环稳定性是这三种电极材料中最优异的,在循环2800次后,比电容为初始比电容的80%。(3)沉积温度120℃、沉积电流密度8 mA·cm-2,沉积时间为5min时,产物为Ni5O(OH)9和Co9S8相;沉积时间为15min时,产物Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O相和Co9S8相;沉积时间为30min、45min、60min的沉积产物均为Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O相、Co9S8相和Ni3S2相。这五个沉积时间的电极材料中,沉积时间为15min的电极材料循环稳定性能最好,循环8000次后比电容为初始容量的80%。(4)确定沉积温度、电流密度、沉积时间这三个工艺参数:120℃、88 mA·cm-2、15min,即以立方相Co9S8和单斜相Ni5(CO34(OH)2·4.5H2O形成的复合物为正极,活性炭为负极组装成电池型超级电容器测试其电化学性能,在5.66 mA·cm-2时,有最大的能量密度48.62 Wh·kg-1,对应的功率密度为216.9W·kg-1;在放电电流密度为53.2 mA·cm-2时,功率密度达到最大值4338.2W·kg-1,此时能量密度仅为28.68 Wh·kg-1。此外该非对称电容器具有极佳的循环稳定性,循环10800次后,比电容为初始比电容的188.5%。
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