纳米氢氧化镍（钴）电极材料的制备及其电化学性能研究

论文摘要

过渡金属氧化物或氢氧化物能在电极/液面间产生高度可逆的氧化还原反应，由此产生的法拉第赝电容远远高于碳基材料所产生的双电层电容，其优异的电容性能使过渡金属氧化物电极材料备受关注。然而，RuO2、IrO2这种典型的过渡金属氧化物由于其价格昂贵，不适合广泛地推广应用。本论文通过不同方法制备了不同微观形貌的纳米氢氧化镍（钴）、石墨烯/氢氧化镍（钴）复合材料并将其用作超级电容器电极材料，通过XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等测试手段对其微观结构和形貌进行了分析，通过循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等测试方法对其电化学性能进行了研究。本文采用水热法制备了棒刺状Co（OH）2及石墨烯（GNS）/Co（OH）2复合材料，实验结果表明，GNS的加入有效改善了Co（OH）2的导电性，在2mV·s-1的扫速下，其比容量由261F·g-1上升到370F·g-1；虽然GNS的加入可以有效改善Co（OH）2的导电性，但GNS含量过高时会出现分散不均问题。通过SEM测试可知，当GNS含量超过3.8%时，形成的微观结构已经不是之前的片层结构而是团聚的大颗粒，从而影响其电学性能。通过循环伏安电化学测试可知，当GNS的含量增加到14.6%时，复合材料的比容量只有286F·g-1。采用水热法、共沉淀法、微波法制备了三种不同微观结构的Ni（OH）2及GNS/Ni（OH）2复合材料，并测试其电化学性能。采用水热法制备Ni（OH）2时主要考察不同水热温度和时间所制备样品的电化学性能的差异，水热法制备的Ni（OH）2呈现无定形的片状结构，随着水热时间和水热温度的升高，其比电容呈现下降的趋势，主要原因是水热时间过久会使晶粒尺寸生长过大，水热温度过高会影响晶粒的成核过程，导致其比电容的下降。循环伏安电化学测试表明：当水热温度为100℃，反应4h时制得的样品表现出良好的电学性能，在2mV·s-1的扫速下其比容量可达到1494F·g-1。采用共沉淀法制备Ni（OH）2时，本文主要考察反应溶液浓度对所制备样品的电学性能的影响。通过SEM及TEM表征可知，共沉淀法制备的Ni（OH）2呈现类似花瓣状的三维结构，GNS的加入使得Ni（OH）2晶粒尺寸有所减小，分布也更加均匀，说明GNS的加入对晶粒的成核和生长阶段有一定的影响。通过循环伏安电化学测试可知，当反应溶液浓度为0.1M时，所制备的GNS/Ni（OH）2复合材料的颗粒较小，在5mV·s-1扫速下其比容量为1744F·g-1。采用微波法制备的Ni（OH）2呈现花瓣状，花瓣的直径在300400nm之间，厚度在7nm以内，加入GNS之后其直径下降到200300nm之间，厚度降低到3.5nm，在2mV·s-1扫速下其比容量从1583F·g-1增加到1734F·g-1。另外，本文还用微波法制备的GNS/Ni（OH）2复合材料与多孔石墨烯分别作为电容器的正负极成功组装了非对称超级电容器，在01.6V的电压区间，6M KOH电解液中进行测试，非对称超级电容器表现出了良好的可逆性、稳定性及电容性能。最高比电容为218.4F·g-1，能量密度可达77.8kW·kg-1，性能优于现阶段报道的以碳基和Ni（OH）2材料组装的非对称超级电容器。另外，在功率密度为15.2kW·kg-1时，能量密度仍能保持13.5kW·kg-1。此非对称超级电容器还表现出了卓越的循环寿命，当循环了2000圈之后，仍有初始比容量的93.6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器概述
• 1.1.1 超级电容器的分类
• 1.1.2 双电层电容器及其模型
• 1.1.3 法拉第超级电容器原理
• 1.2 影响电容器电学性能的几种因素
• 1.2.1 电解液对电容器电化学性能的影响
• 1.2.2 电极材料对电容器电化学性能的影响
• 1.2.3 氢氧化镍电极材料概述
• 1.3 本论文的选题意义及研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 主要试剂与原料
• 2.2 实验设备及仪器
• 2.3 样品的制备方法
• 2.3.1 氧化石墨的制备
• 2.3.2 水合肼还原法制备石墨烯
• 2.3.3 多孔石墨烯的制备
• 2及其碳基复合材料的制备'>2.3.4 Co（OH）₂及其碳基复合材料的制备
• 2及其碳基复合材料的制备'>2.3.5 Ni（OH）₂及其碳基复合材料的制备
• 2.3.6 非对称超级电容器的组装
• 2.4 测试表征方法
• 2.4.1 X-射线粉末衍射（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 X-射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.5 拉曼光谱（Raman）
• 2.4.6 红外光谱（Infrared Spectroscopy, IR）
• 2.5 电化学测试方法
• 2.5.1 电极制备
• 2.5.2 电化学测试方法
• 2.6 本章小结
• 2电极材料的制备及其电化学性能研究'>第3章 Co（OH）₂电极材料的制备及其电化学性能研究
• 3.1 引言
• 2负载不同含量石墨烯（GNS）对电容性能的影响'>3.2 Co（OH）₂负载不同含量石墨烯（GNS）对电容性能的影响
• 3.2.1 结构表征与形貌分析
• 3.2.2 电化学表征
• 3.3 本章小结
• 2及其碳基复合材料的电化学性能研究'>第4章 Ni（OH）₂及其碳基复合材料的电化学性能研究
• 4.1 引言
• 2的电学性能研究'>4.2 水热法制备 Ni（OH）₂的电学性能研究
• 4.2.1 不同水热时间对形貌结构及电容性能的影响
• 4.2.2 不同水热温度对形貌结构及电容性能的影响
• 2及 GNS/ Ni（OH）₂复合材料电化学性能研究'>4.3 共沉淀法制备 Ni（OH）₂及 GNS/ Ni（OH）₂复合材料电化学性能研究
• 2形貌结构'>4.3.1 Ni（OH）₂形貌结构
• 4.3.2 负载石墨烯对形貌结构及电容性能的影响
• 2及其碳基复合材料的电化学性能研究'>4.4 微波法制备 Ni（OH）₂及其碳基复合材料的电化学性能研究
• 4.4.1 微观结构表征
• 4.4.2 电化学性能表征
• 4.5 本章小结
• 第5章 非对称超级电容器电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 多孔石墨烯负极材料
• 5.3 非对称超级电容器的电化学测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢