过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备及其电化学储能的研究

摘要

超级电容器作为一种新型储能器件，主要基于双电层吸附或材料表面氧化还原反应或内部离子的快速嵌入及脱出反应来完成储能。它具有优异的循环寿命，快速充放电速率及较高的功率密度等优点，但是其能量密度普遍偏低，因此，在保证功率密度较高的前提下，研究高能量密度的超级电容器是目前超级电容器发展的重点。为了获得高能量密度及功率密度的超级电容器，就需要设计及合成电化学性能优异的电极材料。电极材料的种类多种多样，其中过渡金属硫化物作为超级电容器电极材料之一，具有赝电容特性及较高的理论比容量，是目前比较理想的电极材料。基于此，本文将高理论比容量的过渡金属硫化物和高导电性的石墨烯进行复合，制备出高比表面积、多孔的三维网状结构的电极材料，并对该电极材料进行形貌、结构及电化学性能的表征和测试，并且将合成的复合电极材料作为正极，活性炭作为负极，组装成为非对称电容器。论文的主要研究内容及结果如下：
　　一、利用化学气相沉积法（CVD）在泡沫镍（NF）基底上负载石墨烯得到三维石墨烯/泡沫镍（3D GE/NF）基底。在该基底上通过电化学沉积法及化学聚合法合成三维聚吡咯/硫化钴/石墨烯/泡沫镍（3D PPY/CoS/GE/NF）电极材料。通过电化学性能测试，该复合电极材料在1A/g电流密度下比容量为3450F/g，电流密度增至20A/g时，比容量还有2160F/g；该电极在3A/g时经历1000次循环后比容量保持率为72.98%。
　　二、延续上述研究体系，同样以3D GE/NF为基底，利用电化学沉积，通过改变沉积液中的镍钴含量比，合成不同的3D Ni-Co-S/GE/NF样品，通过形貌结构和电化学性能测试得出当镍钴比为1.68时（7.5mM Ni2+），即3D Ni-Co-S-4/GE/NF电极材料具有最佳电化学性能。基于上述研究结果，在3D Ni-Co-S-4/GE/NF材料上通过化学聚合法进一步负载PPY，合成3D PPY/Ni-Co-S-4/GE/NF复合材料，该电极材料在1A/g电流密度下，比容量为3994F/g，当电流密度增至20A/g时，比容量还有2608F/g；该电极材料在3A/g时，经历2000次循环后，比容量保持率为82%。
　　三、通过上述研究，以制备的3D PPY/Ni-Co-S-4/GE/NF电极材料为正极，活性炭（AC）为负极，以1mol/L KOH为电解液，合成3D PPY/Ni-Co-S/GE/NF//AC ASC。通过电化学性能测试，该非对称电容器电位窗口可以扩大至1.55V，在0.5A/g时，比容量为112F/g；并且测得在其最大能量密度37.37Wh/kg时，对应的功率密度为387W/kg。此外，利用该非对称电容器给3V小LED灯供电，可以将其成功点亮，表明其良好的实际应用价值。

目录

声明

英文缩写对照表：

第 1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器的储能机理和分类

1.3 超级电容器的结构

1.4 超级电容器电极材料的种类及其研究进展

1.5 论文选题思路及研究内容

第 2章 实验部分及三维石墨烯基底的制备及其表征

2.1 实验试剂及仪器

2.2 材料表征及测试技术

2.3 三维石墨烯/泡沫镍基底的制备及其表征

2.4 本章小结

第3章 三维 PPY/CoS/GE/NF复合材料的制备及其电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第 4章 三维 PPY/Ni-Co-S/GE/NF材料的制备及其电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第 5章 3D PPY/Ni-Co-S/GE/NF//AC非对称超级电容器的性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 负极材料的电化学性能测试

5.4 3D PPY/Ni-Co-S/GE/NF//AC ASC 的电化学性能测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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