镍钴基分级结构柔性电极材料的制备及其电化学性能研究

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近几年来,超级电容器以其充放电速度快、使用寿命长、能量密度输出高等诸多优点而深受人们的青睐。作为超级电容器的“心脏”的电极材料,对超级电容器的性能的好坏起着决定性的作用。随着对过渡金属电极研究的深入,特别是镍钴基材料的开发和使用,极大地推动了超级电容器电极的发展和进步。随着微电子时代的来临,各种电子设备朝向更小,更便于携带的方向发展,这也对超级电容器电极的发展提出了新的要求。以此为契机,本论文通过在柔性基底上,采用简单可行的方法,制备了一系列的镍钴基柔性电容器电极活性物质并进行了性能研究。论文的工作分为三个部分:(1)采用电沉积的方式,将Ni(OH)2修饰的Ni3S2纳米簇负载于导电布镍层之上成功制备了可弯折的Ni(OH)2/Ni3S2复合电极。通过多种物理结构表征来确定材料的组成成分、表面价态及纳米结构,并进行了电化学测试,评估其在具体电化学器件中的实际工作能力。所制备的分层花椰菜状纳米结构具有较大比表面积和较高导电性,表现出优异的电化学性能。在充放电电流密度为3 mA cm-2时,Ni(OH)2/Ni3S2复合电极材料的比电容高达1800 F g-1;当电流密度提高到15 mA cm-2时,电极材料仍有72%的容量保持率。另外,在充放电循环7000圈后,电极的比电容仅下降15%,证明其具有良好的稳定性。为了进一步考察其在实际应用中的表现,组装了Ni(OH)2/Ni3S2//AC不对称电容器并对其进行相关电化学测试。测试结果表明该器件能够在3.54 mW cm-2的功率密度下,所制得的电容器可以提供0.49 mWh cm-2的能量密度。(2)为了提高基底材料的稳定性,用耐腐蚀且电化学性质更为稳定的碳布作为支撑结构,采用水热的方式,成功制备了次生纳米片修饰的NiS纳米片阵列。通过多种结构表征手段来确定材料的组成成分、表面价态及微观结构,并制作电极进行电化学测试来评估其在具体电化学器件中的表现。所制得的NiS纳米片阵列具有高的比表面积,为离子传输和电子传递提供了更为有利的条件,表现出优异的电化学性能。在充放电电流密度为2 mA cm-2时,NiS/CC复合电极材料表现出430μAh cm-2的高比电容。在经过5000圈充放电循环后,电极的比电容仅仅下降了15%,表现出良好的循环稳定性。组装了NiS/CC//AC不对称电容器并进行了相关的电化学测试。在1.6 V电压窗口下,当功率密度为54.86 W kg-1时,可以提供10.97 Wh kg-1的能量密度。(3)为了进一步提高NiS/CC电极的电化学性能,采用电沉积修饰的方法,在NiS纳米片阵列表面包覆Co(OH)2纳米片制备了核壳结构的Co(OH)2/NiS/CC复合材料。通过多种结构表征手段来确定材料的组成成分、表面价态及结构。前体NiS的开放结构为进一步的电沉积生长Co(OH)2提供了丰富的生长位点,所制得复合的比容量和电化学稳定性都得到了极大地提高。在2 mA cm-2充放电电流密度下,Co(OH)2/NiS/CC复合电极材料的比电容高达668μAh cm-2,当电流密度提高到30 mA cm-2时,电极材料仍能有62%的电容保持率。在经过10000充放电循环圈后,电容保持率仅仅下降了3%。为了进一步考察其实际应用的表现,组装了Co(OH)2/NiS/CC//AC不对称电容器并进行了相关的电化学测试。当功率密度达到4.72 mW cm-1时,所制得的不对称电容器的能量密度可以达到0.58 mWh cm-2
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