幾種納米材料的合成及電化學(xué)儲(chǔ)能性能與機(jī)理研究.pdf

1、自19世紀(jì)70年代電動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)發(fā)明以來(lái)，電能成為最重要的二次能源，并成為能源的主要消耗方式。電能可以從燃燒煤、太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能等各種能源轉(zhuǎn)換，并已經(jīng)滲透到人類(lèi)生活的方方面面。隨著當(dāng)代工業(yè)的迅猛發(fā)展和全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)電能的需求急劇增加，電能的儲(chǔ)存變得越來(lái)越重要、復(fù)雜。開(kāi)發(fā)低價(jià)、高效、安全、環(huán)境友好的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)顯得尤為重要。在不同的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，電化學(xué)能量存儲(chǔ)有著顯著的優(yōu)越性，如高效性、多樣化和靈活性，是目前最有前景的手

2、段之一。超級(jí)電容器和鋰離子電池是目前最典型、應(yīng)用最廣的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器具有較好的大電流充放電特性和優(yōu)異的循環(huán)性能。然而，由于能量密度低，超級(jí)電容器在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。鋰離子電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的另一典型代表，與以前的蓄電池體系相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如能量密度大、放電電壓高、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好。因此，從1995年大規(guī)模生產(chǎn)以來(lái)，其發(fā)展非?？欤⑼苿?dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)

3、碼攝像機(jī)、MP3、MP4等便攜電子產(chǎn)品的出現(xiàn)。盡管鋰離子電池已研究多年，在實(shí)際的應(yīng)用中由于容量較低、循環(huán)次數(shù)有限，仍不能滿(mǎn)足人們的需求。
　　 無(wú)論是超級(jí)電容器還是鋰離子電池，所使用的電極材料都是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它直接決定了產(chǎn)品的性能。而對(duì)于電極材料本身來(lái)說(shuō)。微觀形貌、結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、比表面積等都對(duì)其性能的發(fā)揮起著重要的作用。本論文旨在針對(duì)目前電極材料的不足，從形貌、結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、比表面積等方面對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，并研究了這些因素對(duì)電

4、化學(xué)儲(chǔ)能性能的影響。具體的研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.成功制備了卷曲的鱗狀的碳束陣列。首先以生長(zhǎng)在Ti片基底上的ZnO納米線(xiàn)陣列為模板，通過(guò)CVD法，在ZnO表面沉積卷曲鱗狀的碳層，接著用鹽酸溶液溶解掉ZnO核，即可獲得碳束陣列。采用SEM、XRD、TEM、拉曼光譜儀、BET等多種表征手段研究樣品的形貌、結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率等，發(fā)現(xiàn)碳束陣列的比表面積較大、電導(dǎo)率較高。將碳束陣列作為超級(jí)電容器的電極，容量較高，循環(huán)性能非常好，循環(huán)10000

5、次以后容量保持率約為81％。與這種鱗狀的碳束陣列相比，緊密包裹在ZnO表面的碳陣列的容量明顯較低。
　　 2.采用兩步法在鎳網(wǎng)上合成了Ni(OH)2/石墨烯混合電極。首先以鎳網(wǎng)為模板和催化劑，采用CVD法在其表面沉積一層石墨烯，接著采用水熱法獲得了均勻分布的三維網(wǎng)絡(luò)狀的Ni(OH)2。產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)由SEM、XRD、TEM、FT-IR和拉曼光譜表征，電化學(xué)性能由傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)測(cè)試，結(jié)果表明，所得電極在10 A/g的電流密度下

6、比電容高達(dá)1440 F/g，在更大的電流密度下(20 A/g)比電容仍然有1300 F/g，并且循環(huán)2000次后，比電容基本不變，顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能。石墨烯的存在對(duì)于Ni(OH)2發(fā)揮優(yōu)異的電化學(xué)性能非常重要，如果將Ni(OH)2直接生長(zhǎng)在空白鎳網(wǎng)上，循環(huán)性能2000次后，容量保持率還不到初始比電容的31％。
　　 3.成功獲得了自組裝三維花狀的Ni-Fe LDH。以FeCl2、Ni(NO)3為鐵源和鎳源、乙二醇和去離子水的

7、混合溶液為溶劑、尿素為沉淀劑，采用低溫溶劑熱法獲得了花狀的Ni-Fe LDH粉末。初步討論了反應(yīng)機(jī)理和自組裝演化過(guò)程。研究了溶劑的組成和鐵源對(duì)產(chǎn)物的影響。將Ni-Fe LDH沉積到Ti片表面獲得薄膜，采用傳統(tǒng)的三電極體系測(cè)試了薄膜作為超級(jí)電容器電極的性能。另外，對(duì)Ni-Fe LDH粉末進(jìn)行簡(jiǎn)單的退火，獲得了多孔的片狀NiO/NiFe2O4。
　　 4.采用水熱法獲得了結(jié)晶度非常好的MgSn(OH)2納米方塊。將MgSn(OH)6