鎳基二元復(fù)合體系電極材料的納米構(gòu)筑及其法拉第電容性能.pdf

1、人類進(jìn)入21世紀(jì)之后，能源短缺問(wèn)題已經(jīng)非常嚴(yán)重。傳統(tǒng)化石能源的不可再生使得人類必須尋求可替代的再生能源。而且環(huán)境問(wèn)題也是當(dāng)前面對(duì)的一大難題，所以研究開發(fā)清潔環(huán)保的可再生能源成為人類的當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)，開發(fā)能源的有效存儲(chǔ)技術(shù)也是當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。目前，常見的儲(chǔ)能器件包含鋰離子電池，鈉離子電池和超級(jí)電容器。超級(jí)電容器又叫電化學(xué)電容器，可以廣泛應(yīng)用在大功率設(shè)備，電動(dòng)汽車，智能電網(wǎng)中。而超級(jí)電容器的電極材料是決定其性能的主要組成部件。二元金屬氧化物

2、和氫氧化物具有比較高的比容量，是最有可能實(shí)現(xiàn)高能量密度的超級(jí)電容器電極材料。本文主要通過(guò)納米合成技術(shù)，控制電極材料的微觀形貌，不同活性材料復(fù)合，活性材料與集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，制備具有更加優(yōu)越電化學(xué)性能的復(fù)合電極。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以低成本的棉花作為合成模板，采用簡(jiǎn)單方便的水熱合成外加空氣爐中熱處理的方法合成多孔的NiCo2O4/C納米纖維。該合成材料是一個(gè)多孔的結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積（28.7 m2 g–1），因此該

3、材料具有很高的比容量（在低電流密度1 A g–1下比容量達(dá)到1029 F g–1）。另外，合成的電極材料的介孔占據(jù)了很大比例，所以在大電流密度60 A g–1下，比容量仍然可以達(dá)到771 F g–1，表現(xiàn)出很好的倍率性能。⑵通過(guò)一步水熱法將NiMoO4納米片直接生長(zhǎng)在導(dǎo)電性高的泡沫鎳基底上，直接形成一個(gè)免粘結(jié)劑的復(fù)合電極NiMoO4 NPAs@Ni。該復(fù)合電極在電流密度為2 mA cm–2的電流密度下面積和質(zhì)量比容量分別為3.4 F c

4、m–2和2138.4 F g–1。而且該復(fù)合電極同樣表現(xiàn)出優(yōu)越的的倍率性能和循環(huán)性能。在大電流密度60 mA cm–2下，其容量依然有1.44 F cm-2，而循環(huán)3000圈后，仍然可以保持初始值的87％。這是因?yàn)楹铣傻腘iMoO4納米片是垂直地長(zhǎng)在泡沫鎳的表面，形成許多的孔結(jié)構(gòu)，增加了其比表面積（54.97 m2 g–1），因此提高電極材料的比容量。另外，由于該復(fù)合電極具有一個(gè)三維的電子和離子快速傳輸通道，所以具有非常優(yōu)越的倍率和循環(huán)

5、性能。⑶為了進(jìn)一步提高電極材料電化學(xué)性能，作者通過(guò)兩步水熱法在碳布基底分別沉積 NiCo2O4納米線和 NiMoO4納米片，形成一個(gè)三維分級(jí)核-殼結(jié)構(gòu)的CC@NiCo2O4@NiMoO4復(fù)合電極。該復(fù)合電極由于其特殊的結(jié)構(gòu)和兩種二元金屬氧化物的協(xié)同作用，具有非常高的比容量（電流密度為2 mA cm–2的面積和質(zhì)量比容量分別為2.917 Fcm-2和1325.9 Fg-1）。而且，由于NiCo2O4納米線的導(dǎo)電性比NiMoO4納米片更好，

6、所以電子可以通過(guò)NiCo2O4納米線快速地傳輸?shù)絅iMoO4納米片表面，有利于整個(gè)復(fù)合電極的倍率性能。此外，由于該復(fù)合電極是一個(gè)核-殼結(jié)構(gòu)，所以其結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，在循環(huán)2000圈后，仍然可以保持初始值的90.6%，體現(xiàn)出其優(yōu)越的循環(huán)性能。⑷為了進(jìn)一步提高電極材料電化學(xué)性能，本章引入比容量非常高的二元金屬層狀氫氧化物。作者首先在泡沫鎳上水熱形成 NiCo2O4納米線陣列，然后通過(guò)電沉積的方法，將超高容量的鎳，鈷二元金屬層狀氫氧化物包裹在

7、NiCo2O4納米線上，形成一個(gè)三維的核-殼納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。該復(fù)合電極表現(xiàn)出超高的比容量，在電流密度2mA cm-2下面積和質(zhì)量比容量分別為5.72 Fcm-2和2269.8 F g-1。另外，該復(fù)合電極具有非常好的電子導(dǎo)通能力，所以大電流密度60 mA cm-2下比容量仍然可以保持小電流密度下的69.2%，表現(xiàn)出非常優(yōu)越的倍率性能。此外，由于該復(fù)合電極是一個(gè)核-殼結(jié)構(gòu)，所以在循環(huán)3000圈后，性能仍然可以保持90.7%，表現(xiàn)出該結(jié)構(gòu)卓越