论文部分内容阅读
随着储能设备的不断向前发展,超级电容器作为一种新型的储能器件,在功率密度、充电速度和使用寿命方面很有优势,因此在电动汽车和微电子等领域有广阔的应用前景,近年来已成为世界各国的研究热门方向之一。然而,目前超级电容器的主要缺点是能量密度不高,导致了它的应用范围受到极大限制。一般来说,超级电容器的性能很大程度上受到电极材料的影响,因此,如何对电极材料进行调控及优化是我们的研究重点和挑战。过渡金属氧化物/氢氧化物具有制备简单、导电性良好、经济环保等优点,尤其是三元金属氧化物具有丰富的价态,发生氧化还原反应时有更多的电子迁移,因此具有更好的导电性。但是单一组分的电极材料由于其能量密度比较低而没有办法达到我们需要的结果,所以如何将优势各异的电极材料通过协同效应来复合形成形貌特定的结构。例如具有核壳结构的电极材料,它可以获得更大的比表面积,因而可以得到更多的反应活性位点来使得电解液中电子及离子快速传输,实现电化学性能的飞跃。本论文使用水热法或电沉积法制备了一系列基于ZnCo2O4的复合电极材料,探究其形貌结构和电化学性能之间的联系,主要内容如下:（1）通过简易的两步水热法和退火煅烧制备了ZnCo2O4/ZnWO4纳米线核壳结构。使用XRD和XPS等手段研究复合电极材料的晶相结构和组成,SEM和TEM来研究其形貌特征并使用电化学工作站对其进行一系列测试来评估性能。测试结果表明,ZnCo2O4电极与ZnWO4电极复合后性能有了显著提升,电流密度为4 mA cm-2时,ZnCo2O4/ZnWO4电极容量可达13.4 F cm-2,而在相同条件下ZnCo2O4电极容量仅为1.5 F cm-2。此外,利用ZnCo2O4/ZnWO4复合电极组装了一个非对称超级电容器,该ASC能量密度最高可达24 W h kg-1,经过5000次连续充放电测试后,其容量保持率为98.5%,并且将两个所组装的非对称超级电容器串联可以持续点亮一个白色LED小灯泡长达30分钟。该结果说明所组装的ASC具有一定的应用前景。（2）使用第一步水热法第二步电沉积法制备了ZnCo2O4/Co（OH）2纳米线核壳结构复合材料,并利用XRD、XPS等手段表征结构和组成,SEM来表征形貌,电化学工作站来测试性能。结果表明,ZnCo2O4电极与Co（OH）2电极复合后,表现出优秀的电化学性能,在1 A g-1测试条件下,复合电极质量比容量是995 F g-1,而在相同条件下,ZnCo2O4和Co（OH）2电极的比容量分别是350 F g-1和820 F g-1。此外,所组装的非对称超级电容器能量密度最大的时候能达到29.6 W h kg-1,经过5000次连续充放电测试,其容量保持率可达84.1%。将所组装的非对称超级电容器串联能点亮一个白色LED小灯泡,这说明该ASC是一种有潜力的储能设备。（3）使用第一步水热法第二步电沉积法制备了ZnCo2O4/Ni（OH）2纳米片核壳结构复合材料,研究了其形貌结构与组成,并测试了其电化学性能。结果显示复合后的电极材料,即ZnCo2O4/Ni（OH）2电极表现出优秀的电化学性能,在1 A g-1测试条件下的比容量可以达到2100 F g-1。而由该复合电极与活性炭电极组装的非对称超级电容器最大能量密度为36 W h kg-1,经过5000次循环充放电,该ASC可保留98.61%的容量。最后将所组装的ASC串联可以点亮三个并联的白色LED小灯泡,表现出良好的实际应用潜力。（4）使用两步水热法和后续退火煅烧的方法成功制备了ZnCo2O4纳米片/Co3O4纳米线分级结构。通过电化学工作站进行相关性能测试,发现相较于纯ZnCo2O4电极,ZnCo2O4/Co3O4复合电极比容量有了很大提升,在1 A g-1测试条件下比容量可达1115 F g-1。而所组装的非对称超级电容器能量密度最大可达38.2W h kg-1,将其经过5000次循环充放电,依然表现出91.1%的容量保持率。将两个所组装的ASC串联可以点亮三个并联的蓝色LED小灯泡,这说明该器件有一定的实际应用前景。