钼酸盐基电极材料的制备、改性及电化学性能研究

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伴随着新能源汽车和储能技术的快速发展,具有高功率密度特性的超级电容器受到广泛关注。为使超级电容器在保持高功率密度的同时兼具高能量密度特性,采用电池型材料作为电极材料,组装混合型超级电容器成为一种有效的解决方法,因此制备出适用于超级电容器的电池型材料成为研究热点。本文采用水热结合煅烧处理的方法对钼酸盐基材料进行制备以及改性研究,考察了水热合成条件、镍源、钴源以及表面活性剂对材料的结构和形貌以及电化学性能的影响,并组装超级电容器以考察其实际应用能力。通过对水热合成反应中的镍源、反应温度、反应时间以及煅烧温度的考察,得到钼酸镍最优的合成工艺:采用硫酸镍作为镍源,水热温度设定为150°C,反应8小时后,在450°C下进行煅烧处理。X射线衍射显示钼酸镍材料具有完整晶体结构,扫描电子显微镜表明其形貌为无序的针状结构,BET确定比表面积为39.19 m~2·g-1,循环伏安和恒流充放电显示在1 A·g-1下容量达到了498 C·g-1。添加不同浓度的表面活性剂——吐温80、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠诱导钼酸镍材料的结晶过程,以提高其电化学性能。其中当聚乙烯醇浓度为16.7 g·L-1时,扫描电子显微镜显示钼酸镍材料呈现出三维花状形貌,且X射线衍射结果表明聚乙烯醇未改变其晶体结构,同时电化学测试表明在10 A·g-1下,容量保持率达到83.1%,2000次循环后,容量剩余84.5%。将钼酸镍与活性炭电极作为超级电容器的两极,该电容器的能量密度达到69.58 Wh·kg-1,对应功率密度为849 W·kg-1,表现出良好的储能能力。考察不同钴源和添加十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮四种表面活性剂对钼酸钴材料的影响。X射线衍射结果显示不同钴源和表面活性剂不影响钼酸钴的晶体结构,通过扫描电子显微镜发现改变钴源和表面活性剂会使材料产生不同的表面形貌。当采用硝酸钴作为钴源时,材料呈现出片状结构的蜂窝形貌,后采用表面活性剂改性时,十六烷基三甲基溴化铵使得材料改变为棒状与片状结构共同组成的类花瓣形貌,此材料在1 A·g-1下容量为697 C·g-1,经过2000次充放电后容量的保持率为88.4%。采用该材料和活性炭分别作为电极装配的超级电容器,能量密度达到了50.11 Wh·kg-1,对应的功率密度为1015 W·kg-1,经2000次循环后容量衰减14.9%。
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