电沉积法制备Ni基电极材料及其在超级电容器中的应用

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超级电容器作为一种高效的电化学储能器件,由于其具有充放电速度快、循环寿命长、环境友好等优点,广泛应用于可再生能源和移动辅助储能领域。电极材料是决定超级电容器电容性能的关键。在各种过渡金属电极材料中,Ni价格低廉,易于获得,毒性较低并且Ni基电极材料由于具有较高的理论容量,一直都备受关注,但单金属Ni基化合物存在电导率较低、活性位点较少等缺点,使得实际放电容量远低于其理论值。因此常用碳材料改性、金属元素掺杂改性和热处理改性来克服其不足之处。本文研究的主要内容如下:(1)采用电沉积法制备NiCo-LDH电极材料。分别探究了原料种类、沉积电流密度、频率和占空比等因素对所得电极材料性能的影响,结果表明最佳的制备条件为:以硝酸镍、硝酸钴作为镍源和钴源,沉积电流密度为20 m A/cm~2,频率为30 Hz,占空比为90%。在此条件下制备的NiCo-LDH电极材料表现出两种形貌结构:一种为褶皱状结构凝聚在一起所形成的絮状,另一种为片状结构,这两种结构相互交错形成了网状结构。样品在1、4、7、10 A/g时,其放电比电容分别可以达到1480、1401、1337、1283 F/g。(2)NiCo-LDH/C复合材料的制备及其性能。使用石墨烯和碳纳米管两种碳材料进行改性:通过单因素变量法探究了石墨烯的浓度、碳纳米管的处理方式和碳纳米管浓度对电极材料性能的影响,结果显示最佳的制备条件为:采用浓盐酸对碳纳米管进行预处理,碳纳米管的浓度为0.3 mg/m L。在此条件下制备的电极材料表现出褶皱状结构凝聚在一起所形成的絮状和片状结构两种形貌,且两种结构相互交错,形成3D网状结构。样品在1、4、7、10 A/g时,比电容分别可以达到1481、1371、1284、1213 F/g。(3)NiCo Zn-LDH电极材料的制备及其性能。采用电沉积法在泡沫镍基底上直接制备NiCo Zn-LDH电极材料,研究原料种类及其配比对所得电极材料电容性能的影响。结果显示最佳的制备条件为:硫酸盐为原材料,Zn:Ni:Co=0.3:1:1。在此条件下制备的电极材料呈现出片状结构相互交错组成的颗粒状结构。电化学测试结果显示,NiCo Zn-LDH复合材料在1、4、7、10 A/g时的比电容分别分别为1992、1585、1416、1259 F/g。在4 A/g的电流密度下,样品材料充放电循环2000次后,其比电容为459 F/g,为初始电容的28.9%。(4)为了进一步提高材料的循环稳定性,对NiCo-LDH材料进行热处理改性。通过单因素变量法探究热处理温度和热处理时间,对电极材料性能的影响。结果显示最佳的热处理条件是:热处理温度为400℃,热处理时间为3 h。在此条件下制备的电极材料呈现出沟壑交错的树皮状结构,且在树皮状结构上分布着大小不同的3D多孔结构。样品在1、4、7、10 A/g时,比电容分别可以达到1151、987、936、908 F/g。在7 A/g的条件下,对400℃下热处理3 h所得NiCo2O4样品材料进行恒流充放电测试,5000次充放电循环后,其比电容为854 F/g,为初始电容的91.2%。
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