论文部分内容阅读
随着新能源产业的快速发展,人类社会对高效储能系统的要求越来越高。研发高能量密度和高功率密度的新型先进储能器件已经成为了当今新能源电子产业发展的关键。超级电容器是一类重要的新储能元件,其发展基石离不开高效的、理想的储能材料。因此,具有高容量的电极材料是解决电容器发展所需的一类重要物质。电极材料的性能与其本身的化学特性和物理性质有关,如导电性、微观结构和比表面积等。过渡金属氧化物/氢氧化物材料被认为是一类高电化学活性、易制备、原料来源广泛的储能材料。基于此,本论文主要是围绕过渡金属氧化物/氢氧化物电极材料的设计和调控进行研究,主要的工作内容如下:（1）基于稀土钇（Y）元素可以改善电极材料的固有导电性,我们将钇作为掺杂剂,采用水热法制备了一种Y掺杂Ni（OH）2的复合材料。研究了Y掺杂量对Ni（OH）2组织结构和电化学性能的影响。结果表明:Y-Ni（OH）2的晶相由?相向?相转变,且晶格间距增大;同时,在最佳掺杂量(Y3+/Ni2+摩尔比为10%)下合成的Y-Ni（OH）2材料获得的比表面积为119.35 m2/g。Y掺杂的Ni（OH）2在电流密度为1.5A/g下获得的最佳比容量为735.46 C/g,远高于未掺杂样品的279.7 C/g。同时,该材料经过3000个循环后,显示出良好的电化学稳定性,其容量保持率为80.39%。（2）采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为有机表面活性剂,乙醇作为溶剂,160℃溶剂热反应15 h,合成一种高导电性的Y掺杂Ni（OH）2复合材料。研究了溶剂热条件下六水硝酸钇的起始加入量对Ni（OH）2晶体结构、形貌和电化学性能的影响。结果表明:随着钇引入量的增加,Ni（OH）2的结晶度逐渐降低,但样品的比表面积呈现出先增加后减少的趋势。Y的引进加速了电极体系内部的反应动力学并提高了电荷转移效率。Y-Ni（OH）2电极不仅具有增强的比电容,而且获得了良好的寿命,其容量保持率为72.39%,优于未掺杂Ni（OH）2的48.7%。组装的Y-Ni（OH）2//AC的水性非对称超级电容器,在功率密度为1093.7 W/kg时,获得了68.3 Wh/kg的能量密度。经过8000次循环后,该器件的保持率为82.37%。（3）采用Y作为掺杂剂,石墨烯作为额外导电物种,CTAB作为有机表面活性剂,通过一锅溶剂热法合成一种新型的Y-Ni（OH）2/石墨烯（Y-Ni/GNS）异质结构。Y和石墨烯的并入改善Ni（OH）2的导电性;同时石墨烯的引进改善了整个电极表面的湿润性,促进了电解质离子的渗透。Y-Ni/GNS异质结构在1 A/g下获得822.3 C/g的比容量,经过6000次循环后其比容量保持率达到了76.24%。组装成元件后,获得了81.6 Wh/kg的能量密度。（4）基于铝和镍的高电化学活性,我们采用烘箱热法（90℃/6h）将这两者掺杂到四氧化三钴中,合成了一种Al-Ni双掺杂的三元氧化物（AlNiCo-O）。在AlNiCo-O氧化物中,Ni、Co和Al这三者表现出强的协同电化学作用,同时镍钴金属提供了双重的氧化还原可逆反应。AlNiCo-O电极具有良好的电荷存储能力,在1 A/g下获得了1008.5 C/g的比容量。此外,基于AlNiCo-O电极组装的混合超级电容器在881.4 W/kg的功率密度下,具有63.3 Wh/kg的能量密度。（5）基于3D网状结构是由一种纳米薄膜和纳米线构成的网状材料,我们采用泡沫镍作为生长基底,通过水热（120℃/6h）,随后高温（300℃/2h）退火获得Co3O4纳米线,然后通过电化学沉积方法将NiCo-LDH均匀沉积在Co3O4纳米线表面,得到了一种Co3O4/NiCo-LDH网络结构。通过控制沉积时间,控制了Co3O4表面上的NiCo-LDH纳米薄膜的厚度;研究了NiCo-LDH的负载量对整个电极体系电化学性能的影响。结果表明:随着沉积时间的增加,NiCo-LDH膜的负载质量增加,Co3O4/NiCo-LDH电极的比电容也随之下降。在沉积时间120s下合成的Co3O4/NiCo-LDH电极的比容量最佳,为1067 C/g。组装的Co3O4/NiCo-LDH//AC器件获得了74.4 Wh/kg的能量密度,其对应的功率密度为989 W/kg,且经过7000次循环后,该器件的比电容仅损失了8.43%。（6）基于核壳结构是一种由纳米片/纳米线和纳米片组成的高性能储能材料,我们采用烘箱热法和电沉积法,构建了一种NiCo2S4纳米片包覆NiCo-LDH纳米片的核分支结构。高活性的NiCo2S4材料通过高效的氧化还原反应为整个体系提供大量的电荷,弥补了内层NiCo-LDH的不足。由于内外层活性物质之间具有强的协同电化学作用,核壳型NiCo2S4@NiCo-LDH电极表现出优异的储能特性,在1 A/g下达到1385.7 C/g的比容量。组装的NiCo2S4@NiCo-LDH//AC元件具有93.21 Wh/kg的最大能量密度,展现出优异的存储能力。