超级电容器电极材料氧化镍的改性及电解液的研究

论文摘要

超级电容器是介于电池与传统电容器之间的一种新型的储能装置,由于其具有比功率高,循环性能好,可快速充电等优点,日益受到人们的重视。对于超级离子电容器的研究,主要集中在电极材料方面。本文选定氧化镍作为超级电容器的电极材料,研究了氧化镍的制备及其影响因素,以及其与活性碳的混合超级电容器的组装。本文研究了不同电解质溶液对NiO电极性能的影响。在KOH水溶液中能形成赝电容,最终确定KOH水溶液为最优电解液,并对KOH进行了添加剂的研究,得出在电解液KOH溶液中添加LiOH能够提高电容器的比容量,并且在4.5mol·L’KOH+0.5molLiOH·L’的混合电解液中比容量在5mA·cm-2下达369.75 F·g-1,且循环性能好。用沉淀法制备NiO。结果表明,以碳酸铵作为沉淀剂并流沉淀法制备的NiO,10mA·cm-2时,其放电比容量可达352.7 F·g-1,溶液电阻RL为0.5Ω,电极电阻RE为0.6Ω,经12mA·cm-2恒电流循环100次,表现出良好的循环稳定性能。以Ni（NO3）2·6H2O和（NH4）2CO3为起始原料,聚乙二醇400为表面活性剂,采用醇-水法合成团聚少的NiO。这样制备的氧化镍在10 mA·cm-2恒流充放电条件下,放电比容量可达395.5 F·g-1。应用醇-水法制备掺杂Al3+、Zn2+、CO2+的氧化镍复合材料。结果表明:在最佳工艺参数为Ni2+:Al3+:Zn2+:Co2+=0.88:0.05:0.02:0.05时制备的电极比容量为716.45 F·g-1,比容量远高于未掺杂时。由XRD和SEM图看出,掺杂的氧化镍电极材料的晶粒细化,形状不规则,且分散均匀。用活性炭电极和氧化镍电极组装超级电容器。电化学性能测试结果:其充放电电压可达1.45V,具有优良的大电流充放电性能较低的自放电率,负/正极质量比为2:1时得到最大比容量,达82.68 F·g-1,不同电流密度下的等效内阻数值基本相同,为0.45Ω,在恒流充放电5000次时容量仍然维持在初始容量的80%以上,由此可见复合电容器的性能良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器的特点及应用
• 1.1.1 超级电容器的特点
• 1.1.2 超级电容器的应用
• 1.2 超级电容器的基本原理和结构
• 1.2.1 超级电容器的基本原理
• 1.2.2 超级电容器结构
• 1.3 超级电容器的研究概况
• 1.3.1 双电层电容器研究概况
• 1.3.2 超大容量赝电容器研究概况
• 1.4 本论文主要工作
• 第2章 实验部分
• 2.1 试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法与过程
• 2.2.1 直接沉淀法制备氧化镍
• 2.2.2 并流沉淀法合成氧化镍
• 2.2.3 醇-水法制备氧化镍
• 2.2.4 醇-水法制备掺杂氧化镍
• 2.2.5 电极材料的制备
• 2.2.6 电容器的组装
• 2.3 实验产物表征
• 2.3.1 X射线衍射测试
• 2.3.2 扫描电子显微测试
• 2.4 电极的电化学性能测试
• 2.4.1 三电极体系
• 2.4.2 循环伏安测试
• 2.4.3 恒流充放电性能测试
• 2.4.4 交流阻抗测试
• 2.4.5 自放电性能测试
• 2.4.6 极化曲线的测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 氧化镍电极的电解液研究
• 3.1 氧化镍的制备与结构分析
• 3.2 水系电解液中氧化镍的电化学性能
• 3.2.1 循环伏安性能测试
• 3.2.2 恒电流充放电测试
• 3.3 氧化镍的赝电容特性
• 3.3.1 循环伏安性能测试
• 3.3.2 恒电流充放电测试
• 3.3.3 交流阻抗特性
• 3.4 电解液中添加氢氧化锂的研究
• 3.4.1 循环伏安性能测试
• 3.4.2 NiO电极在混合电解液中的恒流充放电行为
• 3.4.3 交流阻抗特性
• 3.4.4 循环寿命测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 沉淀法制备氧化镍及其电容性能研究
• 4.1 并流沉淀法合成氧化镍及其电容性能
• 4.1.1 结构分析
• 4.1.2 循环伏安测试
• 4.1.3 恒流充放电测试
• 4.1.4 交流阻抗特性
• 4.1.5 循环寿命测试
• 4.2 醇-水法制备氧化镍
• 4.2.1 样品的制备与结构分析
• 4.2.2 过饱和度对晶粒尺寸的影响
• 4.2.3 表面活性剂对氧化镍形貌的影响
• 4.2.4 醇-水比对NiO的影响
• 4.2.5 恒流充放电
• 4.2.6 交流阻抗
• 4.3 本章小结
• 第5章 掺杂改性氧化镍及其电容性能研究
• 5.1 正交试验结果与分析
• 5.1.1 掺杂元素替代量对氧化镍电极性能的影响
• 5.1.2 循环伏安曲线特性
• 5.1.3 不同扫描速度下的峰值电流电势
• 5.1.4 交流阻抗测试
• 5.1.5 恒流充放电测试
• 5.1.6 氧化镍的循环寿命性能
• 5.1.7 极化曲线分析
• 5.2 样品的结构及形貌分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 氧化镍/活性碳非对称电容器
• 6.1 NiO/AC与AC/AC超级电容器的电化学特性对比
• 6.1.1 活性碳电容器的电化学特性探讨
• 6.1.2 两种材料的循环伏安特性
• 6.1.3 NiO/AC电容器的恒流充放电特性
• 6.2 NiO/AC超级电容器电化学性能测试
• 6.2.1 正负极活性物质质量比对比电容量的影响
• 6.2.2 充放电电流对比电容量和内阻的影响
• 6.2.3 自放电性能测试
• 6.2.4 交流阻抗特性
• 6.2.5 循环性能测试
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的成果
• 致谢