多孔氧化镍薄膜的制备及其超级电容器性能研究

摘要

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长以及便携式电子设备和混合机动车辆市场的迅速扩张，全球能源消耗正以惊人的速度增长。因此，在发展清洁、可再生、可持续的替代能源（太阳能、风能、潮汐能）的同时，研制先进、低成本、环境友好的能源转换和存储装置迫在眉睫。
　　超级电容器主要优势在于具备超大电容量、循环寿命长、能量密度高、比功率高及环境无毒等。此外，高的功率密度、良好的稳定性以及相对较低的维护费用使之成为化学电源领域的研究热点及新兴产业亮点，这些优异的性质促使其在可再生能源发电并网、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。电极材料在影响超级电容器性能的相关要素中占主导地位，因此，发展环境友好、价格低廉的电极材料是解决问题的关键所在。
　　本论文通过优化合成条件实现对电极材料结构的调控，合成了具有多孔结构的氧化镍薄膜并将其应用于电极材料，主要研究内容如下：
　　过渡金属元素Ni具有多个氧化态，作为超级电容器电极材料时在电解液中发生氧化还原反应（氧化态之间发生相互转换）来储存电荷。氧化镍具有较高的理论比电容值、可逆性好等优点，遗憾的是其导电性差、大电流下电化学利用率低、倍率性能也差。为此，本论文首先以硝酸镍为镍源，乙二胺四乙酸（EDTA）为结构导向剂，氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO）为集流体，采用溶剂热法结合高温煅烧成功制备出具有多孔结构的氧化镍薄膜，并具体研究了不同的溶剂热反应时间、不同煅烧温度以及结构导向剂EDTA存在与否对氧化镍薄膜形貌及最终性能的影响。扫描电子显微镜（SEM）照片显示所得薄膜是由众多错综交杂的纳米片组成具有多孔结构。电化学测试结果表明在电流密度选为2A·g-1条件下的电容为651.6F·g-1，在循环1000周期后其电容可保持初始值的71.6％，并且能量密度可达21.67Wh·Kg-1。
　　氧化镍薄膜良好的性能源于其开放的孔道结构，这一结构有利于电解液离子与活性材料的接触，从而提高了材料的使用率。这一结果在理论上证明了镍基材料应用于电容器的可行性，为镍基材料用于新型能量存储体系提供了新的机遇。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 超级电容器的分类及原理

1.2.1 超级电容器的分类

1.2.2 双电层电容器及其储能机理

1.2.3 法拉第电容器及其储能机理

1.2.4 混合型电容器其储能机理

1.3 超级电容器的主要的性能参数

1.3.1 循环伏安曲线（CV）

1.3.2 恒电流充电/放电（GCD）

1.3.3 电化学阻抗（EIS）

1.3.4 电容C

1.3.5 能量密度（E）与功率密度（P）

1.4 电极材料

1.4.1 碳材料

1.4.2 法拉第材料

1.4.3 法拉第材料的最新研究进展

1.5 超级电容器的应用

第二章 实验部分

2.1 实验药品

2.2 主要仪器设备

2.3 NiO/FTO多孔薄膜的制备

2.3.1 导电玻璃（FTO）的预处理

2.3.2 [ NiO/FTO]多孔薄膜的制备

2.4 表征手段

2.4.1 XRD测试

2.4.2 XPS测试

2.4.3 SEM测试

2.4.4 TEM测试

2.4.5 FT-IR测试

2.4.6 电化学测试

第三章 多孔氧化镍薄膜的制备与表征

3.1引言

3.2 结果与讨论

3.2.1 材料的制备

3.2.2 结果与讨论

3.3 制备条件对材料电化学性能的影响

3.3.1 溶剂热反应时间的影响

3.3.2 结构导向剂EDTA的影响

3.3.3 煅烧温度对NiO/FTO薄膜电化学行为的影响

3.4 [NiO/FTO]400薄膜优异电化学性能分析

3.5 本章小结

第四章 结 论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果