镍钴基电极材料的制备、表征及其电化学性能

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随着社会的发展,环境问题和化石能源危机日益严峻,人们对于可再生能源和高效的能源存储设备的需求日益增加。超级电容器作为一种新型储能器件,在未来的能源存储与转化过程中具有十分重要的科学意义及应用前景。因为镍钴基氧化物其成本低,理论比电容值高,对环境影响小,所以本论文选取镍钴基氧化物为研究重心,采用不同溶剂,不同原料,进行了一系列实验,制备出不同形貌的镍钴基氧化物,并通过改变保温时间、退火气氛、不同原料,制备出不同样品进行对比,主要研究内容如下:(1)采用简单的溶剂热法合成了刺花状的前驱体,通过在空气气氛退火得到尖晶石结构的Ni1.5Co1.5O4电极材料。通过SEM测试发现,前驱体的形貌为片状物上长有刺状物,通过退火后,其刺花状的形貌中的刺变为许多小颗粒堆积而成。对其电化学性能进行测试,在三电极体系的测试中发现Ni1.5Co1.5O4的比电容在2、3、5、7、10、20 A g-1的电流密度下的比电容分别为299.2、284.4、272、263.2、252、208 F g-1。并且在电流密度从2 A g-1增加到20 A g-1时,其比电容依旧保持69%,说明其具有较好的倍率特性。通过改变合成原料,制备出单元素的电极材料Ni-O和Co-O。通过对比三种电极材料三电极体系的比电容,可以明显看出Ni1.5Co1.5O4比Ni-O和Co-O具有更高的比电容。组装成不对称电容器后,其在大电流密度下依然可以保持63%的比电容,表现出优良的倍率性能。在经过5000次循环充放电之后有27.7 F g-1的比电容,说明其具有很好的循环充放电性能。(2)将Ni1.5Co1.5O4的前驱体在氮气气氛中400°C保温2 h,制备出刺花状的NiCoO2电极材料。将NiCoO2与Ni1.5Co1.5O4进行对比,发现在氮气中退火的产物NiCoO2的电化学性能远优于Ni1.5Co1.5O4。通过改变前驱体的保温时间,制备出Ni2(OH)2CO3·4H2O和Co(CO30.5(OH)·0.11H2O含量不同的的前驱体。研究单金属组分的NiOx和CoOx,探究其刺花状形貌的形成原因。结果表明:发现随着保温时间的增加,其前驱体片状物上的刺逐渐增多,原因是前驱体中Co(CO30.5(OH)·0.11H2O相的相对含量逐渐增多。对退火后电极材料进行电化学性能的测试,测试结果表明:在前驱体不同保温时间的四种电极材料,在三电极体系测试结果中发现,NiCoO2电极材料的质量比电容明显高于Ni-Co-1h,Ni-Co-5 h,Ni-Co-14 h电极材料。通过对比NiCoO2,NiOx与CoOx的三电极体系的CV和CP曲线,发现NiCoO2的质量比电容大于NiOx和CoOx。且双金属氧化物NiCoO2的电压窗口为0.5 V,也大于单金属的0.4 V。选取电极材料中质量比电容较高及倍率性能较好的NiCoO2,将NiCoO2与活性炭材料组装成不对称电容器测试,在0.5和10 A g-1的电流密度下,其比电容分别为106.5和70.7 F g-1。为了测试样品稳定性,在2 A g-1的电流密度下对样品进行5000次的循环充放电性能测试后,样品的比电容仍有初始比电容的77%,证明其优异的电化学性能。(3)由于NiCoO2良好的电化学性能,采用简单的溶剂热法,制备出花球状的NiCoO2电极材料。使用异丙醇和1,3-丙二醇作为溶剂,制备出花球状的前驱体,通过先在空气气氛中以1°C min-1的升温速率升温至200°C,然后通入氮气,继续升温至300°C并保温,得到花球状的NiCoO2材料。其大的比表面积和介孔尺寸的孔径,可以提高电极材料的电化学性能。通过改变合成原料,制备出单元素的电极材料NixOy和CoxOy。通过对比三种电极材料的电化学性能,可以明显看出NiCoO2比NixOy和CoxOy具有更优异的电化学性能。在三电极体系中,当电流密度为1 A g-1时,NiCoO2的质量比电容为1026F g-1,在电流密度从1 A g-1增加到10 A g-1时,其比电容依然保持初始比电容的73%,而NixOy和CoxOy的比电容保持70%,61%,说明NiCoO2具有很好的倍率性能。组装成不对称电容器后,循环性能优越,在经过5000次循环充放电后依然可以保持89 F g-1的比电容。且其最大功率密度和最大能量密度分别为4000 W kg-1和50.1 Wh kg-1。综上电化学测试结果表明,花球状的NiCoO2电极材料具有良好的电化学性能。
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