新型过渡金属化合物超级电容器电极材料的制备及电化学性能

摘要

因为较高的能量密度，过渡金属氧化物就超级电容器领域研究与应用最为广泛的电极材料之一。然而，较低的电导率与较差的稳定性，使它渐渐无法跟上时代的发展步伐。通过与其它材料复合，发挥各自所长，产生协同效应，是解决上述问题的普遍方法。但是，若要取得根本性突破，还需在材料的本质上进行创新。为解决过渡金属氧化物在超级电容器领域存在的问题，新型的替代材料需要同时满足电导性高和循环稳定性好的条件。目前，在电化学储能其它领域，过渡金属的新型化合物氟化物和层状碳化物等已经展现出了优异的性能。因此，本论文以金属氟化物和层状碳化物两类材料为研究对象，通过调控微观结构，或与其它材料复合，提高其电化学性能，探究其在三电极体系与柔性电容器件体系中的储能机理，为超级电容器的研究提供新思路。本论文的主要研究内容如下:
　　1)利用溶剂热法，用氧原子替代FeF3中的部分氟原子，生成FeOF纳米棒，并对其进行结构表征和电化学性能测试。在FeF3与正丙醇反应的过程中，首先生成FeOF。随着反应时间的延长，Fe3+被还原成Fe2+，得到FeF2，而形貌也会发生由块变成棒，最后又转化为小颗粒的转变。电化学性能方面，氧原子的引入不仅可以保留氟化物快速的界面电荷传导特性，还可以有效降低材料的内阻，提高材料的理论比容量，降低材料极性，防止晶粒的过度生长，从而使实际的比容量由617F·g-1提升到894F·g-1。
　　2)以FeOF纳米棒作为内部的核，采用简单的化学沉淀法，在外面包覆Ni(OH)2纳米片作为壳，形成FeOF/Ni(OH)2核壳结构。结构表征表明Ni(OH)2纳米片均匀生长在FeOF纳米棒表面。二者的成功复合保证了其在电化学性能方面协同效应的产生。大比表面积的Ni(OH)2壳可以为电化学反应提供更多的活性位点，改善FeOF纳米棒传质传输电阻较大的不足;而高电导性的FeOF纳米棒核可以加速电荷的内部传导，使比容量大幅增加，在电流密度1A·g-1时可以高达1452F·g-1。使用FeOF/Ni(OH)2作为正极，活性炭作为负极，KOH/PVA为电解质制得的FeOF/Ni(OH)2//AC全固态柔性超级电容器，不仅具有良好的机械性能，还表现出较高的功率密度与能量密度，以及良好的循环稳定性。
　　3)利用高温烧结，固相合成的方法得到前驱体V2AlC。并用氢氟酸对前驱体进行刻蚀，去除其中的Al原子层，得到层状碳化物V2C。随后，用TMAOH对其层间距进行调节，随着插层反应时间的延长，可以分别得到层间距扩展的V2C-in，以及被剥离成少层或单层结构的V2C-ex。比较V2C、V2C-in和V2C-ex三者的电化学性能发现，虽然在低电流密度下V2C-ex拥有最高的比容量，但考虑到电极材料的倍率性能和循环稳定性等综合性能时，V2C-in展现出最高的倍率性能与最稳定的循环性能。这是因为V2C-in的层间距尺寸既适合离子的快速传输，还能保持晶格的相对稳定。将其作为正极，活性炭作为负极，KOH/PVA为电解质制得的V2C-in//AC全固态柔性超级电容器，同样表现出了持久性较好的电化学充放电稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器概述

1．2 超级电容器的工作原理

1．2．1 双电层原理

1．2．2 赝电容原理

1．3 超级电容器电极材料

1．3．1 碳材料

1．3．2 过渡金属化合物

1．4 全固态柔性超级电容器概述

1．5 选题依据及本课题研究内容

第二章 FeOF纳米棒的制备及其赝电容性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 FeOF纳米棒制备方法

2．2．3 结构表征

2．2．4 电化学测试

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 材料表征

2．3．2 FeOF纳米棒的电化学测试

2．4 本章小结

第三章 FeOF／Ni(OH)2核壳结构的制备及其赝电容性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 FeOF／Ni(OH)2核壳结构制备方法

3．2．3 结构表征

3．2．4 电化学测试

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 材料表征

3．3．2 FeOF／Ni(OH)2的电化学测试

3．4 本章小结

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 V2C制备方法

4．2．3 结构表征

4．2．4 电化学测试

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 材料表征

4．3．2 V2CTx的电化学测试

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士期间参与的科研项目

攻读硕士期间获奖情况