三维分级多孔金属材料的制备及其在电化学储能器件中的应用研究

摘要

随着便携式电子产品和新能源电动汽车不断发展，人们对能量存储提出了越来越高的要求，这种情况下开发具有高能量密度和高功率密度的储能装置变得十分必要。超级电容器和锂离子电池由于通过不同的化学反应来存储能量，因此各具有高能量密度和高功率密度的特点。电极是电化学储能器件中最重要的部分，而电极结构的优劣直接影响着超级电容器和锂离子电池的综合性能。因此合理设计电极结构是获得高效、稳定能量存储的有效途径。
　　本文利用电化学沉积和去合金化相结合的方法制备了一种泡沫金属与纳米多孔金属一体化集成的三维分级多孔金属材料，即纳米多孔金/泡沫镍（NPG/Ni foam）。这种制备方法简单且非常有效。制备的NPG/Ni foam材料不仅拥有Ni foam金属的延展性和柔韧性等，而且具有NPG的高孔隙率、高比表面积和高导电性等特点。将此一体化的多层次多孔金属材料用于锂离子电池和超级电容器中，取得了优异的电化学性能。本论文的研究内容主要是以下三部分：
　　（1）首先，通过电化学沉积的方式把 Au-Sn合金电镀到泡沫镍上；然后将得到的Au-Sn/Ni foam置于6mol NaOH+1M H2O2的溶液里去除合金中性质较活泼的Sn组元而保留NPG，得到NPG/Ni foam。根据XRD和EDX结果可知去合金化过程非常完全，NPG/Ni foam没有残留Sn元素。根据SEM结果可知，NPG层均匀地覆盖整个Ni foam骨架，几乎没有缺陷和团聚；NPG层由近似垂直、互连的纳米多孔金壁交错排列而成；而纳米壁形貌为双连续纳米多孔结构，由直径~50 nm的纳米孔和韧带组成。NPG/Ni foam金属材料在在弯曲试验中具有良好的柔性。
　　（2）本文制备了一种新型的三维Ni(OH)2@NPG/Ni foam复合电极材料用作为高性能超级电容器的电极。实现了高比容、高倍率特性的能量存储。（一）NPG/Ni foam保证了电子和离子在整个电极材料中的快速传输，（二）不需要任何导电剂、粘接剂情况下，Ni(OH)2电沉积生长在NPG骨架上使的活性物质与集流体紧密连接，减少了NPG/Ni foam与Ni(OH)2界面的传荷阻力，（三）交错生长的 Ni(OH)2纳米片不仅提高电极的活性比表面积，而且有利于电解液渗透到活性材料内部，促进电化学反应充分进行。与仅在Ni foam材料上电沉积生长的Ni(OH)2相比，NPG/Ni foam极大地提高Ni(OH)2的比电容、可逆性以及循环性能；2A/g的电流密度下，其比电容值为3380F/g；30A/g的电流密度下循环5000次后，比容量保持率为75％。
　　（3）由于三维多孔NPG/Ni foam集流体具有优良的导电性和丰富的孔隙结构，我们把NPG/Ni foam材料用作金属锂负极集流体。当NPG嵌锂后，lithiated NPG/Ni foam集流体对锂金属沉积的成核过电位基本为零。这种结构极大地提高锂离子和电子在锂金属电极内部传输速率、提供足够的内空间来容纳锂金属沉积和大幅降低电极的局部电流密度，从而抑制电极表面的锂枝晶生长并提高 SEM膜的稳定性和缓解循环过程中锂金属的体积膨胀。在0.5mA/cm-2的电流密度下，嵌锂后的NPG/Nifoam集流体表现了180圈循环后库伦效率保持95.6%，而Ni foam集流体在90圈后就降到90%以下；即使电流密度增加到1mA/cm-2时，库伦效率也能在140圈内保持95%,而Ni foam集流体循环70圈后就变得不稳定。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 电化学储能器件概述

1.3 氢氧化镍超级电容器材料

1.4金属锂负极材料

1.5 三维多孔导电结构

1.6 本论文主要研究的内容

第二章 实验仪器及表征方法

2.3 实验试剂与设备

2.2 制备与测试装置

2.3 材料的物理性能表征

2.4材料的电化学性能测试

第三章 纳米多孔金/泡沫镍材料的制备

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 氢氧化镍@纳米多孔金/泡沫镍复合电极及其电容器性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 三维的纳米多孔金/泡沫镍作为金属锂负极集流体

5.1引言

5.2实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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