镍钴基高性能超级电容器复合电极材料的制备与研究

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超级电容器具有比电容大、能量密度高、使用寿命长等特点,使其在储能器件中占据了重要的地位,高性能的电极材料是超级电容器领域的基础。镍钴基纳米材料,如氢氧化物、羟基氟化物、硫化物及其复合材料,因具有比电容高、氧化还原活性强、价格低廉和环境友好等优点,在电化学电容器领域显示出巨大的应用潜力。然而,因其自身易团聚、导电性能不佳等限制了其在能量转换和储能领域的应用。因此,将镍钴基纳米材料与高导电性的镍泡沫(NF)复合来发挥各自的优势,改善复合材料的导电性和镍钴基纳米材料的分散性,从而显著提高复合材料的电化学性能。本论文围绕新型镍钴基纳米复合材料的制备和相关电化学性能展开研究,主要研究结果如下:通过水热法将NiCoFe水滑石(NiCoFe-LDH)直接生长在NF表面获得“sandrose”型多孔网络结构的复合材料(NiCoFe-LDH/NF)。通过CV、EIS和GCD研究发现,NiCoFe-LDH/NF电极的循环稳定性、充放电性能以及放电比容量均有显著提升。其中,Ni/Co/Fe摩尔比为1:1:1的NiCoFe-LDH/NF1的“sandrose”型,其结构最为均匀疏松、分散性好,因而具有最高比电容(1387.6F·g-1,1A·g-1),在10A·g-1下,经5000次循环测试,比电容保持率在91.44%。经水热法将NiCoZn(OH)xF包覆在NF表面,获得3D“朱缨花”状NiCoZn(OH)xF复合材料。电化学研究发现Ni/Co/Zn摩尔比为1:1:1的N1C1Z1(OH)xF具有最为优异的充放电性能和循环稳定性。在1A?g-1时,比电容高达1592.7F?g-1;而在20.0A?g-1时,其比电容依然可达1106.7F?g-1。在10A·g-1下,循环5000次比电容保持率在95.48%。将NiCoZn(OH)xF前驱体进一步硫化,制得的3D“菊花”状硫化物NiCoZnS被用作超级电容器电极并进行了电化学测试。Ni/Co/Zn摩尔比为1:1:1的N1C1Z1S表现出优异的电化学性能,在1.0A?g-1时,比电容高达2642.2F?g-1。在10A·g-1下,5000次循环后比电容无明显衰减,依然保持其初始比电容的94.47%。最后,将NiCoFe-LDH1通过水热法沉积在NiCoZnS表面,制得相应的复合材料NiCoZn@NiCoFe-LDH,对所制材料进行结构表征,发现NiCoFe-LDH1包覆在NiCoZnS表面,形成“sandrose”状核壳材料。该核壳材料可提高活性材料的导电性、缩短电子的扩散路径,其放电容量和循环性能均有大幅提升。在1.0A?g-1时,N1C1Z1S@NiCoFe-LDH比电容高至3180.0F?g-1。在10A·g-1下,5000次循环比电容保持其初始的94.88%。
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