NiCo双氢氧化物基超级电容器电极材料的改性及性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kxdn01
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
超级电容器由于其比传统电池具有更高的功率密度和使用寿命,还具有高工作效率、充放电效率快以及轻污染等特点,现在已经逐渐成为一个研究热点。相比于传统的碳基电极材料,赝电容电极材料能够在电化学过程中发生氧化还原反应,从而提供更大的能量储存能力。在诸多的赝电容材料中,NiCo双氢氧化物(简写为NiCo-DH)具有很强的氧化还原活性,理论容量接近3000 F g-1,而Ni原子和Co原子二者的耦合作用,使其能够发挥出比单金属氢氧化物更为出色的电化学性能。然而,受限于较低的电子和离子传导能力,其所能表现出的容量与理论容量相差甚远;连续充放电过程中电极材料不断的体积变化所造成的结构坍塌,也会造成较短的循环寿命,这些问题限制了其在能量储存系统中的实际应用。基于此,本文采用表面改性的方法来提高NiCo双氢氧化物自身的导电性,以提升其比电容值。构建核壳结构电极,借助各组分间的紧密连接限制电极在充放电过程中的部分体积变化,加速氧化还原反应,进而实现电极循环寿命的提升,阐明了改性手段和核壳结构的耦合作用对电极电化学性能的强化机制,实现了高性能NiCo双氢氧化物电极的制备。提出了一种表面改性改善NiCo双氢氧化物本征导电性的方法,提高电极材料的比电容值。利用Na BH4的还原特性,在室温条件下实现NiCo双氢氧化物表面的氧空位制备。研究结果表明氧空位的引入能够增加电极表面的电化学活性位点,同时可以增加离子和电子的传导能力,从而提升电极比电容值。当电流密度为1 A g-1时,最大比电容值可以达到1563 F g-1。为了进一步改善电极的表面活性,提出了P元素掺杂改善本征活性的方法。采用磷化退火方法,在NiCo双氢氧化物表面掺杂P元素。研究结果表明,P元素的掺杂能够在纳米线外侧形成一层NiCo P,磷化物的强电子离域特性能够加快氧化还原过程中的电子转移,从而实现电极电化学性能的提升。构建了NiCo-DH@Ni OOH核壳结构电极,以实现电极循环稳定性的提高。将NiCo双氢氧化物纳米线作为内核,在其外侧沉积Ni OOH纳米片,以此构建NiCo-DH@Ni OOH核壳结构电极。研究结果表明,外层彼此交联的Ni OOH纳米片能够避免循环过程中电极结构的倒塌,从而有效提高电极材料的循环稳定性;同时,核壳结构所提供的巨大比表面积也使得更多的活性物质参与氧化还原反应,NiCo-DH纳米线提供了方向性的导电路径,这些特征能够显著提升电极的比电容值。当电流密度为1 A g-1时,最大比电容值可以达到2622 F g-1。构建的NiCo-DH@Ni OOH核壳结构电极,在电流密度为10 A g-1时,经过10000次循环后比容量能够保留初始值的~88.5%。为了进一步提高电极的循环稳定性,构建了MnCo2S4@NiCo-DH核壳结构电极。将MnCo2S4纳米管作为内核,将NiCo-DH纳米片沉积于外侧作为外壳,内层的金属硫化物具有较高的电导率,能够降低电极内部的电荷转移阻抗,加速电子的传导,使得氧化还原反应速率加快;同时,外层沉积的NiCo-DH纳米片能够提供巨大的比表面积和丰富的电化学活性位点,使得电解液离子与电极材料的接触更为充分。研究结果表明,构建的MnCo2S4@NiCo-DH核壳结构电极具有良好的比电容值和优秀的循环稳定性。在电流密度为1 A g-1时,最大比电容值为2412 F g-1。在电流密度为10 A g-1时,经过10000次循环后,容量能够保留初始容量的~92%。基于以上研究,提出了一种表面掺杂与核壳结构设计相结合的新思路,将经过P掺杂的NiCo双氢氧化物纳米线作为内核,在其外侧沉积Ni Mn-LDH纳米片,构建NiCo-DH/NiCo P@Ni Mn-LDH三层核壳结构。研究结果表明,引入NiCo P的NiCo双氢氧化物内核能够优化电子的导电路径,使得电子的传输更为有效,氧化还原反应速率加快,同时在外层的DH纳米片作为外壳也可以在充放电过程中维持电极的整体稳定。构建的NiCo-DH/NiCo P@Ni Mn-LDH三层核壳结构,在电流密度为1 A g-1时,最大比电容值为2318 F g-1。在电流密度为10 A g-1时,经过10000次循环后,容量能够保留初始容量的~95%。此外,将其与活性炭组装的非对称超级电容器同样表现出了优异的性能,当功率密度为750 W kg-1时,能量密度可以达到42.2 W h kg-1。
其他文献
气化是一种清洁高效的固体燃料转化技术,其利用气化剂将固体燃料转化为气体燃料,可以脱除固体燃料中大部分的污染物。理解气化剂和金属催化剂与焦炭边缘的相互作用是揭示气化机理的关键。密度泛函理论可以从化学微观层面描述气化机理,从而解释气化实验中的特殊现象。本文利用密度泛函理论研究了焦炭气化反应机理,计算了非催化气化过程中H2O和CO2与焦炭的反应路径,在非催化气化路径的基础上对比典型金属催化剂Na、Fe、
《中国制造2025》指出,我国要大力培育和发展超精密加工、航空航天以及机器人等高端装备制造业,以推进我国由制造业大国向制造业强国转变。随着上述领域的快速发展,对驱动与定位系统在运动行程、运行速度以及动作精度等方面均提出了苛刻的需求,甚至部分需求已经超出了当前以电磁电机为主要实现方式的精密驱动装置所能达到的极限。由此可见,开展高性能精密驱动技术研究显得尤为迫切和需要。压电驱动器分为谐振型和非谐振型两
低碳烷烃是页岩气的主要成分,资源丰富且廉价。但烷烃含键能高、极性低的C-C键和C-H键,并无活化基团,因此化学性质稳定,这是阻碍其向高附加值产品高效转化的主要因素。金属、非金属改性的ZSM-5分子筛是一种可实现电子转移和质子转移的双功能催化剂,可提高烷烃在合成化学中的利用率。本论文着重研究改性ZSM-5分子筛的制备及其在六碳环烃环己烷和三碳链烃丙烷这两类典型烷烃化学键活化反应中的催化作用,即分别对
我国高速铁路纵横交错,贯通全国各主要城市,无砟轨道技术随之高速发展。无砟轨道解除了有砟轨道对列车速度的限制,以其稳定性高、耐久性强的优点被广泛应用。但随着运营时间的累积,无砟轨道板温度效应大的缺点逐渐暴露出来,特别是在一些施工质量差的路线上,无砟轨道的维护工作量逐步增大。无砟轨道板温度测量及安全隐患检测对其安全运营及特性研究愈加关键,其温度及安全隐患检测技术具有十分重要的科学价值和实用意义。红外测
难熔高熵合金(Refractory high entropy alloy,RHEA)具有简单的微观组织、出色的高温热稳定性以及优异的高温强度等特点,在超高温服役条件下具有巨大的优势。目前,块体难熔高熵合金主要采用真空电弧熔炼法制备。由于经过熔化和凝固过程,产生的成分偏析以及粗大的晶粒会降低合金的强度,恶化合金的塑性,不利于难熔高熵合金的应用和发展。因此,本文以Mo Nb Ta Ti V难熔高熵合金
光学器件的尺寸朝着小型化不断发展,在降低功耗的同时能够带来性能的提升。伴随微纳加工技术的成熟,集成光学微腔成为研究热点。得益于能够实现高品质因子和极小的模式体积,其在微纳激光器、滤波器、传感器等光通信领域具有广泛的应用。然而在腔内模场成像、提升品质因子、实现激光定向出射及微纳结构传感成像等方面,传统研究手段存在成本高、稳定性低、可控性差等不足。针对上述问题,本论文提出了新的成像机理和模式调控方法,
如今气体传感器已被广泛应用在安全生产、健康监测、环保、节能、基础研究等领域。基于吸收光谱技术的气体传感方法是一种非接触式测量方法,相比于常用的基于半导体装置的气体传感方法,基于吸收光谱技术的气体传感方法不需要吸附过程即可完成测量,具有测量速度快、抗电磁干扰和非接触式测量等优点。但在燃烧检测和高速流体测量等方面,需要进一步提升该气体传感方法的测量速度。在极端环境中,也存在无法准确测量强吸收信号的问题
由于在主动热防护中所使用的吸热型碳氢燃料逐渐面临热沉不足、易结焦等问题,限制了其进一步的应用,ZSM-5是以Si、Al以及O元素为骨架的分子筛催化剂。传统HZSM-5的催化性能存在缺陷,本文针对吸热型碳氢燃料及传统催化剂所面临的问题,采用以HZSM-5为基底改性的催化剂提高催化能力,同时提出采用氢等离子体线下清洗金属壁面的焦体,具体展开了以下方面的工作:使用实验的方法,应用超临界正癸烷以及添加工业
大气气溶胶是悬浮于空气中的各种固态和液态颗粒物所组成的分散系统,是地气系统的重要组成部分。气溶胶颗粒能够吸收和散射太阳短波辐射和地球长波辐射,直接影响地球辐射收支平衡,也可以作为凝结核,改变云的微观物理特性,进而影响太阳辐射能量的时空分布。此外,气溶胶颗粒还能通过吸收和散射过程影响光学遥感探测信号,导致背景噪声增强、目标信号减弱。由于不同类型气溶胶颗粒的辐射物性差异显著且具有高度的时空异变性,因此