超级电容器是一种具有高功率密度,长循环寿命的能进行快速充电的新型储能装置,可以应用于电动汽车、便携式电子设备和可再生能源的能量存储与转换等领域。但是,超级电容器的能量密度较低,导致在实际应用中难以大规模推广。在超级电容器中,电极是最重要组成部分,对超级电容器的性能表现具有决定性的作用,因此研究和开发具有高性能的电极材料对提升超级电容器能量密度具有重要意义。钴基氧化物,硫化物和氢氧化物是常见的容易合成的材料,当作为超级电容器的电极材料时,它们都表现出很好的电化学活性,能与电解液发生快速的氧化还原反应产生电容,从而具有很高的理论容量,是很有前景的赝电容材料。但是,钴基氧化物,硫化物和氢氧化物的导电性普遍较差,实际电容量较低,并且在进行快速充放电过程中容易发生体积膨胀,导致难以商业化应用。因此,为了得到具有高性能的钴基电极材料,本课题通过将电极材料纳米化,调控材料形貌以及与高导电性的石墨烯复合等策略提升钴基电极材料的导电性、比容量和循环稳定性。最后将钴基正极材料用于水系非对称超级电容器中来拓宽工作电压,进一步提升能量密度。主要研究内容如下:(1)氧化石墨烯表面具有丰富的官能团能将Co2+吸附在石墨烯表面,并以此成功在石墨烯表面原位生长金属有机框架化合物ZIF-67形成ZIF-67/石墨烯复合材料(ZIF-67/G)。经过后续在空气气氛中高温煅烧处理,石墨烯表面的ZIF-67转变为由Co3O4纳米颗粒构成的多面体,最终形成具有多级结构Co3O4/G复合材料。由于Co3O4/G复合材料的特殊的结构和组成成分,可以提供大量的氧化还原反应位点并且提升电极材料的导电性和循环稳定性。电化学测试结果表明Co3O4/G复合材料展现出比Co3O4更高的电容量和长循环稳定性。此外,用Co3O4/G复合材料作正极与商业活性炭负极构建成非对称超级电容器时,该非对称超级电容器的能量密度能达到19 Wh kg-1,并且具有非常优异的长循环寿命,在充放电5000次后容量仍保持95.2%。(2)为了获得具有更高电化学性能的钴氧基电极材料,利用ZIF-67在碱性条件下会与VO3-发生原位离子交换反应生成Co2V2O7,将ZIF-67/G复合材料转变为Co2V2O7/G复合材料。通过形貌和成分表征测试证明ZIF-67转变成由Co2V2O7纳米颗粒组装的空心纳米笼,并在石墨烯表面均匀分布。Co2V2O7纳米颗粒组装的空心纳米笼能够减短电荷传输距离,提供更多用于氧化还原反应的活性位点,并且空心结构够减轻电极材料在循环充放电过程中体积膨胀。另外具有高导电性和稳定性的石墨烯可以显著提升材料的导电能力,并作为缓冲基底抵消内部应力并减轻循环过程中的结构破坏。电化学测试结果表明Co2V2O7/G材料展示出了出色的电化学性能,在1 Ag-1的电流密度下比容量为576 Fg-1,是Co3O4/G材料的2.3倍。同时,该材料还具有非常出色的长循环稳定性,在经过10000次循环充放电测试后,该材料的容量保持率高达93%。利用Co2V2O7/G材料和还原氧化石墨烯(rGO)组装成的非对称超级电容器,其电压可达到1.5 V,并且在电流密度为1 A g-1时比容量为86 F g-1,在功率密度为663.5 W kg-1时能量密度可以达到25.7 Wh kg-1,同时该非对称超级电容器具有优异的长循环寿命,在循环10000次后容量仍能够保持88%,显示出了 Co2V2O7/G复合材料在超级电容器中良好的运用前景。(3)为了避免传统涂覆法中的使用导电剂和粘结剂产生的“死料”对电极材料电化学性能的影响,以钴基金属有机骨架化合物(Co-MOF)阵列为牺牲模板,在导电泡沫镍上合成了具有中空核壳结构的铁钴硫化物阵列(Fe-Co-S/NF)。通过精确控制Co-MOF与FeSO4发生的离子交换反应在Co-MOF阵列表面生成FeCo-LDH纳米片,然后通过水热硫化处理得到由FeCo2S4纳米片壳包覆在Co3S4空心纳米阵列上的分层核壳空心纳米结构。表面生长的FeCo2S4纳米片具有更好的导电性,并且能够提供较大的与电解液的接触面积从而提供更多的氧化还原反应位点,可以提升材料的比容量。除此之外,空心结构能有效缓解循环充放电过程中体积膨胀,从而增强循环稳定性。因此,制备的Fe-Co-S/NF电极在电流密度为1 A g-1时具有高达2695 F g-1的比容量,良好的倍率性能(在10 A g-1仍展现出69.8%的容量),并且在进行充放电循环1000次后容量保留了 84%。分别以Fe-Co-S/NF电极和rGO电极为正极和负极组装成非对称超级电容器,得到的设备具有1.6 V的工作电压,在1A g-1电流密度下其比容量高达131F g-1,在770 W kg-1的功率密度下能量密度为43.6 Wh kg-1,并且充放电5000次后容量仍保留89.6%。优异的电化学性能表明Fe-Co-S/NF是具有前景的超级电容器电极材料。(4)采用一步溶剂热法在石墨烯表面垂直生长镍钴双氢氧化物(NiCo-LDH)纳米片,以获得LDH/rGO复合材料。通过扫描电镜和透射电镜可知制备的材料具有LDH/rGO/LDH的类三明治夹心纳米结构。以高导电性和柔韧性的石墨烯作为基底能避免NiCo-LDH的团聚现象,提高结构稳定性,同时为电荷提供快速通道。而垂直生长在石墨烯上的互相交联的NiCo-LDH纳米片能提高与电解液的接触面积,从而能够进行快速的离子迁移和高效的法拉第反应。电化学测试结果表明,当Ni/Co=2:1时,得到的LDH/rGO材料的电化学性能最好,在电流密度为2 A g-1时具有高达2130 F g-1的比容量(为LDH的1.376倍)。并且LDH/rGO材料在循环5000次后容量保留76.5%,优于LDH的循环稳定性(在2000次后仅保留48.1%)。将LDH/rGO复合材料作为正极材料与rGO负极组装成非对称超级电容器,该器件具有1.6 V的工作电压,高达104 F g-1的比容量和最大34.5 Wh kg-1的能量密度,并且在循环10000次后容量仍能够保持86.7%,表明LDH/rGO复合材料超级电容器中具有良好的运用前景。