高比容量二元金属氧化物超级电容器电极材料的研究

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全球经济的快速发展以及化石燃料的消耗加剧也伴随着日益增多的环境污染问题,因此研发出高性能以及环保的储能器件成为当今能源科技的发展急需解决的问题之一。超级电容器,由于其快速充放电,优异的循环以及倍率性能,超高的功率密度,环境友好而成为备受关注的储能器件之一。但是,低的能量密度极大限制了其发展,成为超级电容器迫切需要解决的问题。非对称超级电容器用两种不同储能机制的电极作为正负极,以电池型电极作为正极,电容型电极作为负极,其中电池型电极作为能量源,电容型电极作为功率源,既可以保持器件超高的功率密度同时也能达到较高的能量密度,使之成为新一代储能器件的有力竞争者。非对称超级电容器的电极材料极大的影响了器件的电化学性能。因此,高性能的电极材料有助于进一步提升器件的各项性能。本文以此作为出发点,选择优秀的电极材料并且设计合理的结构,以此来提高器件的整体性能,并希望得到一种设计优秀电极材料的思路和策略,获得的结果如下:(1)采用溶剂热和刻蚀工艺制备出由NiMoO4二维纳米片组装的三维空心纳米立方结构,以三维结构来保持稳定,使之在发生氧化还原反应过程中尽可能的减缓体积以及结构的变化,再利用低维的纳米片提供比表面积,使之有丰富的反应活性位点。以此思路,我们也制备出了高性能的NiMoO4纳米立方,在1A/g的电流密度下,其比容量高达1093 F/g,即使在10 A/g下也能维持679.5 F/g。与N-r GO组装成的NiMoO4//N-r GO器件,在2A/g的电流密度下循环5000圈,容量留存率高达84.7%。且其在功率密度为769 W kg-1时,能量密度高达44.10 Wh/kg,当其功率密度在7.7k W/kg时,能量密度依然达到了23.68 Wh/kg。(2)选择氧化还原反应更为丰富的Ni-Co氧化物,以简单的一步沉淀刻蚀方法组装制备稳定的空心Ni Co2O4纳米立方三维结构。多元金属氧化物不仅提供了更为丰富的电子,而且增加了材料的导电性,使反应更易进行,在上述几种作用协同下,使电极拥有优秀的电化学性能。在1 A/g的电流密度下,电极的比容量达到了2400 F/g,即使在10 A/g的高电流密度下,其比容量依然高达940 F/g。在与N-r GO组成Ni Co2O4//N-r GO非对称超级电容器器件后,在1A/g的电流密度下,比容量达到231 F/g,在10 A/g的高电流密度下仍保持63.5 F/g,证实了其优秀的电化学性能。(3)使用一步水热法制备了无粘结剂的在泡沫镍上原位生长的NiMoO4三维纳米球,泡沫镍作为基底使之可以直接作为工作电极,电极与基底结合的更为牢固,无需粘结剂和导电剂使活性材料能够更好的与电解液接触,有利于反应的发生。纳米球上生长二维超薄的NiMoO4纳米片,片与片之间几乎没有团聚,探究了温度对形貌的影响,通过调控得到最佳的纳米球形貌,同时使材料的比表面积得到很好的利用,样品NiMoO4-140℃在1 A/g的电流密度下,比容量高达2100 F/g,样品NiMoO4-160℃在相同电流密度下比容量也达到1093 F/g。同样展现了优秀的电化学性能。
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