多元纳米多孔金属/氧化物复合电极的制备及性能研究

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环境污染的n益加重及化石能源的短缺已然成为当前社会的两大热门问题,发展新型能源是解决能源问题的可靠途径之一。超级电容器和锂离子电池作为储能器件备受关注。电极是决定超级电容器和锂离子电池储能特性的关键。在众多电极材料中,过渡金属氧化物由于储量丰富、价格低廉、理论容量高等优点成为电极材料的理想选择,但绝大多数金属氧化物导电性差、倍率低等缺点限制了其储能特性的发挥。针对此,本课题基于纳米多孔合金设计及合金极化氧化掺杂,制备出了三元NiVMn、NiMoMn及四元NiMoFeMn复合电极,在获得高容量的同时保持了良好的导电性,同时获得了高倍率性能。本论文的研究工作如下:(1)根据相图选取三元(Ni、V、Mn)和四元(Ni、Mo、Fe、Mn)合金体系,采用熔炼-甩带的方法制备出不同元素体系的合金,通过去合金化制备出不同孔径的的电极材料前驱体。(2)将纳米多孔合金通过极化/高温氧化的方法在合金表面自生长一层无定型金属氧化物/氢氧化物,通过XPS测试表明电极表面呈现不同的元素价态,多价的金属氧化物和氢氧化物可大大增加电极材料的比电容。TEM测试可清楚的观察到电极的核壳结构,这种结构在保证高容量的同时保留了合金的良好导电性和结构连续性,相比其他金属氧化物电极具备较大的优势。(3)对制备的不同体系的电极进行电化学性能测试,研究了元素种类、元素比例、电解液种类/浓度、极化电压等因素对电极电化学性能的影响。其中在0.6~0.9V电压下各极化三分钟,以0.5mol/LKOH+0.5mol/LNa2SO4做电解液,NiVMn体系中Ni25V15Mn60电极比电容最高,电流密度在1A/cm3时比电容可达1053 F/cm3,循环3000圈后容量没有衰减。Ni20V10Mn70电极电流密度从1A/cm3增长到10 A/cm3比电容保持率高达81.2%,其倍率性能远高于其它金属氧化物电极。(4)将NiVMn体系合金通过化学腐蚀,空气气氛高温处理制备出金属氧化物@多孔合金,将其做活性物质涂覆到铜箔上做负极,组装成锂离子电池,初步探究了该电极的储锂性能,具备良好的倍率性能及循环稳定性。
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