纳米多孔镍铜锰基复合电极片的宏量制备及其性能研究

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随着工业的迅速发展,能源危机以及环境污染等问题引起了人们的广泛关注。因此,新能源的开发与存储成为当前的研究热点之一。鉴于传统能源储存器件无法满足电网和电动交通工具的发展需求,开发新型高效储能器件尤为重要。超级电容器因具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快等优势成为新能源领域的高效存储器件。在超级电容器组成结构中,电极材料是影响超级电容器储能特性的关键部分。过渡族金属氧化物因其资源丰富和具有高理论比电容等特点,成为理想的赝电容器电极材料。但过渡族金属氧化物自身导电性差的缺陷限制了高比容量的实现。同时,纳米多孔金属存在的脆性问题限制了其在柔性器件领域的应用。为解决上述纳米多孔电极缺陷,本论文中,采用冶金复合轧制和脱合金相结合的方法制备了三明治结构纳米多孔镍铜锰/镍/纳米多孔镍铜锰柔性箔,并研究了纳米多孔金属箔在退火工艺中合金表面发生的重新排布。采用此法制备的电极不仅可利用镍作为支撑层和导电集流体,同时表面元素的重新排布强化了协同作用,提高电极电化学性能。研究内容如下:(1)选取三元合金体系(Ni15Cu15Mn70),采用真空包焊和热-冷轧冶金复合制备富锰合金(Ni15Cu15Mn70)/集流体(Ni)/富锰合金(Ni15Cu15Mn70)前驱体箔材。采用脱合金化法成功制备出镍箔支撑的柔性三维连续纳米多孔复合箔材。(2)在氩气气氛下对纳米多孔合金进行退火处理同时引起表面氧化,制备出不同孔径的复合电极材料。XPS表征验证了材料中金属元素存在于不同轨道并具有多种价态,氧元素也存在三种不同的结合形式,有利于形成不同离子间的协同作用。(3)探究镍夹层以及电极厚度、腐蚀时间、热处理气氛和温度等因素对电极电化学性能的影响。在不同条件下对复合电极材料进行电化学性能测试后发现,经过化学腐蚀4小时,氩气气氛下300℃退火后得到的复合电极材料(100μm)比容量提升最大,测试后其体积比容量高达1977.97 F cm-3,与碳材料的双电层相比具有明显优势。且该电极在电流密度从1A cm-3增加到5A cm-3时仍可保持62.7%的比电容,倍率性能优异。(4)将该电极材料采用叠片的方式组装成水系软包超级电容器器件进行了测试研究,探究了电极片尺寸及叠片数量等条件对器件电化学性能的影响。经测试器件在0.5A cm-3的电流密度下比电容和能量密度分别达到73.31F cm-3和24.14m Wh cm-3,但存在电解液消耗等情况均对器件的电化学性能有较大影响。
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