电化学和水热沉积法制备膜电极材料及其电化学性能研究

摘要

由于环境的日益恶化、温室效应的加剧和化石燃料的耗尽，发展新能源产业已经迫在眉睫，其中高性能的能量存储和转换材料是关键技术之一。超级电容器因其高功率密度、可快速充放电以及循环寿命长等诸多优点受到了广泛关注。在制备电极材料的过程中通常需要加入粘结剂来增强电极材料与集流体之间的黏附性，但是也会因此而堵塞电极材料的孔道，减少有效孔道面积。为了解决这一问题，本论文利用电化学和水热沉积法分别在泡沫镍和铁片上直接生长制备Ni-MOFs和硫化铁薄膜电极，在无需添加任何粘结剂的情况下，提高了材料的利用率。本文研究了合成工艺参数与电化学性能之间的关系，为进一步优化工艺参数，改进材料性能提供了科学依据。
　　本论文主要包括以下两个方面的研究内容:
　　(1)以泡沫镍为集流体和镍源，均苯三甲酸为配体，蒸馏水和无水乙醇混合溶液为溶剂，氟化铵为电解质，通过电化学合成法在泡沫镍基底上直接生长出Ni-MOFs膜电极材料。研究了不同的电化学合成时间、电流密度、温度和电解液配比对制备Ni-MOFs泡沫镍薄膜电极的影响，利用X-射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)对其进行了结构表征。研究表明，在不单独加入镍源的情况下，可以在泡沫镍孔道中生长一层Ni-MOFs的针状晶体。负载量随电化学时间和电流密度的增加而增加。通过循环伏安法，恒流充放电法和电化学阻抗谱技术测试了该电极材料的电化学性能。结果表明:在扫速为10 mV/s时，Ni-MOFs的比电容仅为25.63 F/g。在扫速为10 mV/s下，经过500次循环测试之后电容保持率为63.68％。为了提高材料的比电容，以Ni-MOFs为前驱体，通过高温处理得到了NiOx/C复合材料，研究了不同的热解温度对电极材料性能的影响。Ni-MOFs电极碳化后转化成为Ni/NiOx/C复合电极材料，碳化温度为900℃时，所得Ni/NiOx@C复合材料的电化学性能最佳。在扫速为10 mV/s时，碳化样品的比电容达到224.56 F/g。在扫速为10 mV/s下，经过500次循环测试之后电容保持率为92.83％。优化得到电化学合成的工艺参数为电流密度7 mA/cm2、温度60℃、时间10h和电解液配比为1∶1。
　　(2)以铁片作为集流体，FeCl2·4H2O铁源，分别以H2NCSNH2和C2H5NS为硫源，通过水热法在铁片上生长硫化铁薄膜电极材料。研究了不同硫源、铁源浓度、水热温度和水热时间对FeS纳米片生长的影响，并对该电极材料进行结构表征和电化学性能测试。结果表明，以H2NCSNH2为硫源，水热温度在200℃，水热时间在36h时，合成的FeS纳米片结晶性较好，物相单一。在扫速为10 mV/s下，样品的比电容为66.10F/g。在扫速为10mV/s下，经过1000次循环之后，FeS纳米片样品的电容保持率为89.30％。以C2H5NS为硫源，水热温度在165℃，水热时间在36h时，合成的FeS纳米片结晶性较好，物相单一，没有杂相。在扫速为10 mV/s下，样品的比电容为65.83 F/g。在扫速为10 mV/s下，经过1000次循环之后，FeS纳米片样品的电容保持率在87.20％。

目录

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摘要

论文中物理符号及缩写清单

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器的简介

1．2．1 超级电容器的储能原理

1．2．2 超级电容器的组成

1．2．3 超级电容器的性能指标及测试方法

1．3 锂离子电池的简介

1．3．1 锂离子电池的储能原理

1．3．2 锂离子电池的组成

1．3．3 锂离子电池的性能指标及测试方法

1．4 电极材料的测试方式

1．4．1 粉体电极的测试

1．4．2 膜电极的测试

1．5 膜电极材料的制备方法

1．6 超级电容器和锂离子电池的应用

1．7 课题研究内容

1．7．1 论文背景与研究意义

1．7．2 论文的主要研究内容

第二章 纽扣式超级电容器和锂离子电池的组装工艺

2．1 前言

2．1．1 活性物质

2．1．2 实验仪器及原料

2．2 设备元件的选取

2．3 电极片的组装工艺流程

2．3．1 电极片的组成

2．3．2 电极片的制作

2．4 纽扣式锂离子电池的组装工艺

2．4．1 纽扣式锂离子电池的组装结构

2．4．2 纽扣式锂离子电池的装配工艺流程

2．5 纽扣式超级电容器的组装工艺

2．5．1 纽扣式超级电容器的组装结构

2．5．2 纽扣式超级电容器的装配工艺流程

第三章 电化学合成Ni-MOFs和NiOx@C及其电化学性能研究

3．1 前言

3．1．1 金属有机骨架化合物的简介

3．1．2 金属有机骨架化合物在电极材料中应用

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 材料制备

3．2．3 材料结构表征与电化学性能

3．3 结果与讨论

3．3．1 电化学合成条件对Ni-MOFs合成的影响

3．3．2 Ni-MOFs的结构表征分析

3．3．3 电化学性能研究

3．3．4 Ni-MOFs的热重分析及其碳化温度的选定

3．3．5 NiOx@C复合样品的结构表征分析

3．3．6 碳化温度对NiOx@C复合材料的电化学性能的影响

3．4 本章小结

第四章 溶剂热法在铁片上合成FeS微片及其电化学性能研究

4．1 前言

4．1．1 硫化物的简介

4．1．2 硫化铁电极材料及其在电极材料中的应用

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2 材料的制备

4．2．3 材料结构表征与电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 FeS的结构表征分析

4．3．2 电化学性能表征分析

4．4 本章小结

第五章 锂离子电池性能测试

5．1 前言

5．1．1 电池储锂测试图

5．2 实验部分

5．2．1 实验仪器及原料

5．3 锂离子纽扣电池的储锂性能测试

5．3．1 Ni-MOFs与NiOx@C膜电极材料的储锂测试分析

5．3．2 以不同硫源合成的FeS膜电极材料的储锂测试分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者简介