镍钴双金属氢氧化物/氧化物复合材料的制备及超电容性能研究

摘要

超级电容器在储能方面具有充放电迅速、功率密度高、循环稳定性好和安全环保等优势，有望成为未来新型的储能设备。电极材料是决定超级电容器性能的重要因素，而层状双金属氢氧化物（LDHs）因独特的结构使其具有良好的电化学性能。电化学沉积法与传统的化学反应相比，具有工艺简单、周期性短、对基体限制少等特点。本文通过两种电沉积方法制备镍钴层状双金属氢氧化物，探索不同碳纤维基体和金属阳离子配比对形貌和电化学性能的影响，并与双金属氧化物纳米针复合，设计出一种综合性能优异的核壳结构电极材料。 1、通过简单的恒电压电沉积法将Ni-Co LDH直接电沉积到不同的碳纤维基体表面，成功制备出Ni-Co LDH/CFP和Ni-Co LDH/CFC复合材料。以碳布（CFC）为基体材料所生成的Ni-Co LDH复合材料呈褶皱的片层状结构，比表面积较大，故电化学性能表现更出色。在1A·g-1的电流密度下，其拥有1387.5F·g-1的比电容。此外，用Ni-Co LDH/CFC为正极材料，rGO/NF为负极材料，所组装成的Ni-Co LDH/CFC//rGO/NF非对称超级电容器拥有良好的性能，当电流密度为1A·g-1时，ASC的能量密度为26.6Wh·kg-1，功率密度为850.4W·kg-1。 2、为进一步提高Ni-Co LDH/CFC的综合性能，采用恒电流电沉积法在碳布上成功制备了Ni-Co LDH，并研究Ni/Co的不同配比对Ni-Co LDH的微观形貌和电化学性能的影响。研究发现，当Ni:Co=4:1时，形成的Ni-Co LDH是由类似于鳞片状的超薄纳米片所组成，这样的形貌使其拥有优异的电化学性能。其在1A?g-1的电流密度下具有1540F·g-1的比电容，而且在15A·g-1的电流密度下比电容保持率为83.4%，表明其拥有优异的倍率性，同时循环5000圈后仍保留有84.6%的比电容。在用此材料作为正极，Fe2O3/rGO作为负极组装成全固态非对称超级电容器时，在1A?g-1的电流密度下，其能量密度为28.2Wh·kg-1，最小功率密度为850W·kg-1。 3、通过水热-煅烧法在碳布上制备出两种不同形貌的NiCo2O4纳米材料，再采用恒电流电沉积法在针状NiCo2O4上复合Ni-Co LDH电极材料，成功制备出以NiCo2O4为核，Ni-Co LDH为壳的核壳结构，这样的结构将更利于发挥出双金属氢氧化物和氧化物的协同作用，使得其表现出优异的电化学性能。研究表明，NiCo2O4@Ni-Co LDH复合材料在2mA·cm-2的电流密度下比电容为4901.8mF·cm-2，同时在20mA·cm-2电流密度下循环5000次后，比电容仅损失13.3%。同时，以NiCo2O4@Ni-Co LDH复合材料和活性炭（AC）作为正负极，组装的NiCo2O4@Ni-Co LDH//AC全固态柔性非对称超级电容器展示出优异的性能，在2mA?cm-2的电流密度下，其能量密度高达0.859mWh·cm-3，功率密度为51.1mW·cm-3。

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1 引言

1.2.1 超级电容器发展历史

1.2.2 超级电容器分类及工作原理

1.2.2 超级电容器的特点及应用

1.3超级电容器的重要组成部分

1.3.1 电极材料

1.3.2 集流体材料

1.3.3 电解液

1.3.4 隔膜

1.4层状双金属氢氧化物的概况

1.4.1 层状双金属氢氧化物的结构与性质

1.4.2 层状双金属氢氧化物的制备方法

1.5 层状双金属氢氧化物/氧化物复合材料研究进展

1.5.1层状双金属氢氧化物的研究进展

1.5.2层状双金属氢氧化物/氧化物复合材料研究进展

1.6本文的研究意义及研究内容

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

2 实验部分

2.1实验试剂与材料

2.2实验仪器与设备

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2 傅里叶变换红外光谱分析

2.3.3 X射线光电子能谱分析

2.3.4 扫描电子显微镜

2.3.5 透射电子显微镜

2.4电化学测试方法

2.4.1 电极的制备

2.4.2 循环伏安测试

2.4.3 恒电流充放电测试

2.4.4 电化学阻抗测试

2.4.5 循环稳定测试

3恒电压电沉积法制备Ni-Co LDH复合材料及其超电容性能研究

3.1 引言

3.2 Ni-Co LDH/碳纤维基体复合材料的制备

3.2.1 碳纸和碳布的预处理

3.2.2 恒电压电沉积法制备Ni-Co LDH/碳纤维基体复合材料

3.3不同碳纤维基体对Ni-Co LDH复合材料的物相与形貌的影响

3.3.1 Ni-Co LDH/CFP和Ni-CoLDH/CFC复合材料的物相分析

3.3.2 Ni-Co LDH/CFP和Ni-Co LDH/CFC复合材料的形貌分析

3.4 Ni-Co LDH/CFC和Ni-Co LDH/CFP复合材料的电化学性能分析

3.4.1不同碳纤维基体对Ni-Co LDH复合材料的性能影响

3.4.2 Ni-Co LDH/CFC复合材料的电化学性能分析

3.5 Ni-Co LDH/CFC//rGO/NF非对称超级电容器的组装与电化学性能分析

3.5.1 rGO/NF负极材料的制备

3.5.2 rGO的物相与形貌分析

3.5.3 rGO/NF负极材料的电化学性能分析

3.5.4 Ni-Co LDH/CFC//rGO/NF非对称超级电容器的电化学性能分析

3.6 本章小结

4全固态Ni-Co LDH//Fe2O3/rGO超级电容器的制备及其超电容性能研究

4.1 引言

4.2恒电流电沉积法制备不同配比的Ni-Co LDH/CFC复合材料

4.3不同配比对Ni-Co LDH/CFC复合材料的物相与形貌的影响

4.3.1不同配比Ni-Co LDH/CFC复合材料的物相结构分析

4.3.2不同配比Ni-Co LDH/CFC复合材料的表面形貌分析

4.4不同配比对Ni-Co LDH/CFC复合材料的电化学性能的影响

4.5全固态Ni-Co LDH//Fe2O3/rGO非对称超级电容器的组装与电化学性能分析

4.5.1 Fe2O3/rGO负极材料的制备

4.5.2 Fe2O3/rGO负极材料的物相与形貌分析

4.5.3 Fe2O3/rGO负极材料的电化学性能分析

4.5.4全固态Ni-Co LDH//Fe2O3/rGO非对称超级电容器的电化学性能分析

4.6 本章小结

5全固态柔性NiCo2O4@Ni-Co LDH//AC超级电容器的制备及其超电容性能研究

5.1 引言

5.2 NiCo2O4@Ni-Co LDH复合材料的制备过程

5.2.1 水热-煅烧法制备NiCo2O4/CFC电极材料

5.2.2 电沉积法制备NiCo2O4@Ni-Co LDH/CFC复合材料

5.3 不同形貌NiCo2O4的表征与电化学性能分析

5.3.1 不同形貌NiCo2O4的表面形貌分析

5.3.2 不同形貌NiCo2O4的电化学性能分析

5.4 NiCo2O4@Ni-Co LDH复合材料的表征与电化学性能分析

5.4.1 NiCo2O4@Ni-Co LDH的物相结构分析

5.4.2 NiCo2O4@Ni-Co LDH的表面形貌分析

5.4.3 NiCo2O4@Ni-Co LDH的电化学性能分析

5.5 全固态柔性NiCo2O4@Ni-Co LDH//AC超级电容器的电化学性能分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

参考文献

作者简历

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