金属基原位生长薄膜电极材料的制备及电化学性能研究

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随着当代社会的高速发展,能源材料已经越来越重要,学者们将大量的注意力放在可以快速充放电且储能量超高、性质稳定的材料研究上。电化学储能材料在近些年来研究最为广泛,从最初的镍-镉电池发展到优化储电性能的锂离子电池直到如今的充电时间短且使用寿命长的电化学电容器,也称为超级电容器。这类电容器由三大类材料组成:碳材料、导电聚合物材料以及金属氧化物/硫化物材料。根据不同材料所具备的物理化学性质不同,所组成的电极材料的能量密度、循环寿命等性质也有所不同。目前已有许多超级电容器材料应用在电动汽车、智能设备、电力系统以及太阳能产品等日常生活领域。从储能机理上可以将超级电容器分为两种,前一个由活性炭材料、碳纤维、碳纳米管等碳材料电极组成的电容器称为双电层电容器,而后一由金属氧化物和聚合物电极材料组成的电容器称为法拉第赝电容器。在本论文中我们对两种类型的电容器都进行了研究,所制备的四种电极材料分别有泡沫钛基PPy电极材料、泡沫镍基PPy/Ag复合电极材料、泡沫镍基C薄膜电极材料以及铜箔基CuS电极材料,我们所制备的四种电极材料特点都是在不添加任何黏合剂的情况下,利用原位生长法在金属基底上制备出导电的纳微米薄膜材料,整个过程不会引入其它杂质。经过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、紫外可见光谱仪(UV)以及红外可见光谱仪(FTIR)这些仪器对电极材料的表面进行形貌的表征和组分的分析,并利用电化学工作站的循环伏安法(CV)、恒电流充放电法(GCD)以及循环寿命测试对电极的电化学性质进行表征,文中我们详细对比了不同时间、不同浓度下制备的电极材料的形貌与电化学性能,通过讨论得到性质最优的电极材料。比如生长时间为12h的泡沫钛基PPy电极在电流密度为1A g-1时比电容高达855F g-1;反应时间为7h的泡沫镍基PPy/Ag电极在1Ag-1时比电容为493Fg-1;利用葡萄糖水热法原位合成的C修饰泡沫镍电极的电容性能和循环寿命较同类型的碳材料要高很多;反应时间为18h的0.1mol L-1CuSO4和Na2S2O3溶液中制备的铜箔基CuS薄膜电极的比电容值高达1093F g-1(1Ag-1)。作为主要的制备手段,原位生长法是本论文的特点,简单的操作环境和方便的制备过程是超级电容器领域新的发展方向。
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