基于钴基氢氧化物电极材料的制备及其超级电容器性能研究

摘要

随着全球人口的不断增长和人类对电能需求的不断增加，电能成为了重要的二次能源，电能的存储也变得越发重要。开发高能量密度、高功率密度、环境友好和超长循环使用寿命的电能存储设备变得尤为重要。在各种各样的电能存储系统中，电化学能量存储以高效性、多样化和灵活性成为最有前景的能量存储方式之一。其中，超级电容器因具有较好的大电流充放电特性、高功率密度和优异的循环稳定性，能够满足用户快速充放电的需求，在近年来得到了科研人员的广泛关注。但是，在实际工作中，超级电容器也因其能量密度低而在应用中受到了限制。因此，如何在保持高功率密度的前提下，提高超级电容器的能量密度成为了研究人员关注的一个热点。为了提高超级电容器的能量密度，本文采用了同时提高电极材料的比容量和采用非对称式超级电容器两种方法来实现。
　　在超级电容器中，所使用的电极材料是整个储能系统的核心，电极材料的优劣直接决定了电容器的性能。对于电极材料来说，比表面积、微观形貌、电导率等都对电容器的电化学性能起着重要的作用。本文通过研究钴基氢氧化物电极材料的储能特性，从比表面积、微观形貌、电导率等方面对电极材料进行优化，并研究了水热温度对材料性能的影响，找出了最佳的合成条件。最终确定在水热温度为90℃时，制备的电极材料电化学性能达到最佳，在电流密度为2.5 mA/cm2时，电极材料的比电容最高可以达到1737 F/g；将制备的电极材料在电流密度为7.5 mA/cm2下循环2000次，电极材料的比电容保持率仍可达到初始比电容的87.3％。总之，实现了制备高比电容电极材料的目的，为制备高能量密度的超级电容器提供了很好的先决条件。
　　另一方面，非对称式结构与对称式结构相比，具有更大的工作电位窗口，能够在不牺牲功率密度的前提下，大大提高超级电容器的能量密度。本文通过水热法在镍网上成功制备得到碳酸羟基氯化钴纳米线阵列（Cobalt chloride carbonate hydroxide nanowire arrays，CCCH NWAs）电极材料，并以其作为非对称式超级电容器的正极材料，负极材料采用活性炭（AC），成功组装成CCCH NWAs|KOH|AC非对称式超级电容器，组装后的电容器能量密度最大可达29.1Wh/kg。虽然与商业碳基双电层电容器（<10Wh/kg）在能量密度方面相比，已有较大的提升，但仍无法满足实际情况中的需求，故我们仍需通过进一步提高其能量密度来满足实际情况的需求。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 超级电容器的基本概述

1.2 超级电容器的性能指标

1.3 选题依据和研究内容

2 实验设备及测试方法

2.1 实验部分

3 反应温度对碳酸羟基氯化钴纳米线阵列电极材料制备的影响

3.1 概述

3.2 不同反应温度下样品的形貌测试及分析

3.3 不同反应温度下样品的电化学测试及分析

3.4 本章小结

4 CCCH NWAs|KOH|AC非对称式超级电容器的制备和性能研究

4.1 前言

4.2 电极材料的制备及电容器的组装

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著