铁镍二元金属氧化物纳米材料超级电容器的电化学性能探究

摘要

超级电容器在能源存储领域作为与电池互补共存的器件之一，以其高功率密度、快速充放电、循环稳定性好、安全环保等优点，如今在城市交通、航空航天、智能电网以及能源动力系统得到了广泛的应用。然而与电池相比，较低的能量密度使其面临着发展的瓶颈，主要原因就是目前负极材料研究的滞后，性能低下，无法满足高性能超级电容器的需求。本论文通过对铁元素单金属氧化物进行研究，加入镍元素制备出高性能的负极材料铁镍二元金属氧化物，并根据文献调研制备了正极材料钴镍硫化物，最后将钴镍硫化物与铁镍氧化物组装成赝电容电容器，以解决超级电容器负极材料性能低下与能量密度低的问题，主要内容如下： （1）铁镍二元金属氧化物纳米材料的制备及电化学性能的探究。以碳布为基底，通过水热法制备了铁镍氧化物的纳米片，对铁、镍元素的比例进行了调控，分别为2比1、1比1和1比2。对铁镍氧化物纳米片进行了SEM、TEM形貌分析，发现铁、镍元素比例为 2 比 1的氧化物纳米片生长最均匀，纳米片薄厚适宜，在碳纤维基底上无脱落迹象，比例为1比1和1比2的氧化物纳米片生长致密，且纳米片较厚且有一定程度的脱落。对纳米片进行结构、成分表征即XRD、Raman、XPS分析测试，表明铁镍氧化物纳米片是沿着一定的晶面方向生长，纳米片里明确含有铁、镍、氧三种元素，铁镍元素均有+2和+3两种化合价态。最后对三种比例的氧化物纳米片进行完整的电化学性能测试，铁、镍元素比例为2比1（Fe-Ni-2-1）氧化物纳米片在2 A/g电流密度下，比电容能够达到667 F/g，50 A/g的大电流密度下比电容依然接近380 F/g，表现了优异的比电容及倍率性能，而铁、镍元素比例为1比1（Fe-Ni-1-1）和1比2（Fe-Ni-1-2）的氧化物纳米片明显性能偏低，在0.5 mA/cm2的电流密度下分别拥有472 F/g和378 F/g的比电容。以上数据表明铁镍氧化物Fe-Ni-2-1的比电容性能最佳，随着镍元素含量的增加，电化学性能有着明显的下降。 （2）钴镍硫化物正极材料的制备。为了组装高性能超级电容器，以碳布为基底，通过电化学沉积法简单的制备了钴镍硫化物纳米片。对其进行形貌与成分分析，表明纳米片在碳布基底上沉积均匀，厚度较薄，呈现多晶结构，元素成分里明确含有钴、镍、硫三种元素，分析 XPS 能级峰可知钴、镍两种元素大部分处于+2价状态，具备丰富的赝电容反应。进行电化学性能测试，显示纳米片在2 A/g的电流密度下有着1643 F/g的比电容，电流密度增加到50 A/g时，比电容依然保持在1267 F/g，保持率为77%，电化学性能非常优异，满足组装高性能超级电容器的需要。 （3）钴镍硫化物//铁镍氧化物（Fe-Ni-2-1）高性能超级电容器的组装。以钴镍硫化物为正极材料，铁镍氧化物Fe-Ni-2-1为负极材料组装赝电容超级电容器，进行电化学测试表明，在0.5 mA/cm2的电流密度下，电容器的面积比电容为134 mF/cm2，在20 mA/cm2电流密度时，面积比电容为80 mF/cm2，以10 mA/cm2的电流密度循环10000圈以后，比电容没有明显的衰减，表明了正、负极材料具有非常优异的电容性能与良好的循环稳定性。负极的基底碳布提供一定的电容，因此我们计算出负极材料铁镍氧化物Fe-Ni-2-1活性物质提供的电容占整个负极电极的电容性能的比例，然后根据这个比例计算出整个电容器里由活性物质Ni-Co-S//Fe-Ni-2-1提供的电容。计算结果显示在0.5 mA/cm2电流密度下，电容器中由活性物质 Ni-Co-S//Fe-Ni-2-1 提供的比电容为 226 F/g，并且当功率密度为 970 W/Kg时，能量密度能够达到70.6 Wh/Kg，表现出较高的比电容性能及能量密度。作为对比我们组装了钴镍硫化物//活性碳非对称性超级电容器，能量密度仅仅能够达到23 Wh/Kg，性能远远低于赝电容电容器。以上数据表明由于铁镍氧化物Fe-Ni-2-1 优异的电化学性能，组装的赝电容超级电容器具有较高的能量密度以及比电容，倍率性能要好于钴镍硫化物//活性碳非对称性超级电容器，能够满足未来高性能超级电容器对于具有优异性能负极材料的需求。

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