论文部分内容阅读
超级电容器作为一种填补二次电池与传统电容器之间空白的储能设备,即具有比二次电池高的功率密度、循环寿命,相比于传统电容器具有较高的比电容和能量密度,引起了研究者的广泛关注。超级电容器电极材料是决定其性能的一个关键性因素。当前,常见的超级电容器电极材料主要有三种:碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物;这三种材料在单独作为超级电容器电极材料时其导电性、比容量、能量密度以及功率密度等方面都不能兼顾,因此深入研究超级电容器电极材料对综合提高超级电容器电化学性能具有重要的理论和实际意义。铁基氧化物具有资源丰富、制备成本低、较高的理论比容量等优点,是一种具有赝电容特性的电极材料;碳纳米管具有独特的一维中空结构,良好的导电性以及较高的比表面积,是一种典型的双电层电容器电极材料;本文基于对提高材料电化学性能的要求,将碳纳米管与铁基氧化物复合优化铁基氧化物的导电性,进而提高复合材料的比电容和循环性能。具体的主要研究内容如下:(1)微波辅助芬顿试剂法合成Fe2O3材料和Fe2O3/CNTs复合材料,并对材料的形貌、电化学性能进行表征。从SEM和TEM电镜图中可以看出,纯Fe2O3纳米颗粒为不规则球形,直径为1μm左右;在复合材料中,Fe2O3颗粒均匀地负载在碳纳米管表面,且颗粒约为10nm左右;随后以1M Na2SO4为电解液,采用三电极体系进行电化学测试。测试电压窗口为-0.8-0.3V,与纯Fe2O3电极相比Fe2O3/CNTs复合电极的电化学性能得到了很大的提升;在0.5A/g时,复合电极的比电容达到232.6F/g,而纯Fe2O3电极的比电容仅有131.9F/g。(2)将纯Fe2O3材料与Fe2O3/CNTs复合材料分别组装成对称式超级电容器,进行电化学性能研究。实验结果表明,电流密度为0.5A/g下,Fe2O3/CNTs材料超级电容器的比电容为51F/g,而纯Fe2O3超级电容器的比电容仅有33F/g,在相同的功率密度下,复合电极的能量密度为28.3Wh/kg,高于纯Fe2O3电极;在循环1000圈之后,复合超级电容器的比电容保持率(67%)优于纯Fe2O3电容器(25%)。(3)采用溶剂热法合成CoFe2O4和CoFe2O4/CNTs材料,并对两种材料的微观形貌和电化学性能进行表征。SEM和TEM结果表明:在复合材料中CoFe2O4纳米颗粒均匀地负载在碳纳米管表面,且颗粒直径在10nm左右;以2M KOH为电解液,采用三电极体系进行电化学性能测试。测试结果表明:在相同的电流密度下CoFe2O4/CNTs复合电极的比电容均高于纯CoFe2O4电极;电化学交流阻抗谱测试显示:引入碳纳米管之后,复合电极的内阻小于纯铁酸钴电极的,离子电导率也得到了改善。(4)将CoFe2O4/CNTs复合材料作为正极,活性炭(AC)作为负极,以2M KOH为电解液,组装成非对称式超级电容器并进行电化学特性研究。在电流密度为2A/g下,CoFe2O4/CNTs//AC非对称式超级电容器循环1000次之后,比电容保持率为85.7%,库伦效率接近100%;此外,在功率密度为400W/kg时,能量密度高达30.4Wh/kg,当功率密度增大到3986W/kg时,能量密度达到12.4Wh/kg。