微纳米多级结构复合电极材料制备及其在超级电容器中的应用

摘要

随着全球的能源缺乏和环境恶化，各种可循环的电化学储能器件愈来愈受到人们的重视。作为新式能量储存器件的超级电容器，由于其具有高的功率密度无污染、循环时长等优点，因而受到广泛关注与研究。而其性能高低关键在于电极材料的选择。鉴于金属氧化物和碳材料作为电极材料的优缺点，将金属氧化物与泡沫镍集流体、碳材料进行负载制备性能良好的复合电极材料成为材料研究学者的首要目标。
　　本论文采用微波水热法，围绕纳米氧化镍的制备以及采用泡沫镍或活性碳纤维布为载体负载纳米氧化镍以获取具有微纳米结构的复合材料的相关问题展开研究，采用X射线衍射仪、热分析、扫描电子显微镜等测试技术对材料的结构与形貌进行表征与观察，并通过循环伏安法、交流阻抗法对所制备电极材料的电化学性能进行测试。主要工作包括以下几个方面:
　　采用微波水热法，以NiSO4为镍源，尿素为沉淀剂，分别选用聚乙二醇4000（PEG-4000）和聚醚酰亚胺(PEI)为表面活性剂，通过改变保温时间、表面活性剂种类及添加量合成NiO纳米粉体。结果表明:在微波加热160℃合成了片状纳米NiO前驱体，片层厚度约为10nm，经过400℃煅烧2h得到了具有微纳米多级结构的花片状NiO微球，微球直径约为2μm，花片状NiO的厚度为10nm。表面活性剂的添加使NiO微球团聚现象明显减弱，且使微球形状规则，尺寸均一。通过电化学测试表明，添加3.7％ PEG-4000，保温30min条件下制备纳米NiO电极比电容最大为85.4 F/g，经过500次循环后，比电容仅衰减13.3％，表现出较好的电化学稳定性。
　　以泡沫镍为载体，分别以NiSO4和Ni(NO3)2·6H2O为镍源，通过改变镍离子浓度、表面活性剂种类和添加量、反应时间，采用微波水热原位负载的方法制备具有微纳米多级结构的NiO/泡沫镍复合电极材料样品。结果表明:以NiSO4为镍源合成的纳米NiO以花片状均匀原位生长在泡沫镍表面，表面活性剂PEG-4000的添加反而抑制了片状纳米NiO在泡沫镍上的生长。测试结果表明，保温30min，无添加剂条件制备的微纳米多级结构的NiO/泡沫镍样品电极获得的比电容可达到234.8 F/g。以Ni(NO3)2·6H2O为镍源，保温60min合成了颗粒状纳米NiO并在泡沫镍表面均匀生长，表面活性剂PEG-4000的添加使纳米NiO贴附在泡沫镍表面，不利于离子和电子的传递。保温60min且无添加剂制备的NiO/泡沫镍样品电极比电容最大为224.4 F/g。
　　以活性碳纤维布(ACFC)为载体，以尿素和NiSO4为原料，采用微波水热法通过改变反应物浓度和反应时间得到不同的NiO/ACFC复合电极材料，并对样品电极进行了电化学特性研究。结果表明:实验合成的纳米NiO以花片状结构原位生长在活性碳纤维布表面，片层厚度约为10nm。在相同的微波合成条件下，表面活性剂PEI添加量和尿素量对样品形貌结构和负载量有较大影响。当镍离子与尿素摩尔比CNi2+∶C(NH2)2CO为1∶4，添加1ml PEI，保温60min的NiO/ACFC复合电极材料电极获得最大的比电容为190.4F/g，具有良好的电化学性能和稳定性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器概述

1．2 超级电容器的电极材料

1．2．1 碳材料

1．2．2 过渡金属氧化物

1．2．3 导电聚合物

1．3 纳米氧化镍的研究现状

1．3．1 氧化镍的晶体结构

1．3．2 纳米氧化镍的制备方法

1．3．3 纳米氧化镍的应用

1．4 本论文选题思路及研究内容

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料及实验仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 纳米氧化镍的微波水热合成

2．3 微波水热制备纳米氧化镍基复合材料

2．3．1 纳米氧化镍／泡沫镍复合材料的制备

2．3．2 纳米氧化镍／活性碳纤维布复合材料的制备

2．4 材料结构与形貌表征

2．4．1 X射线衍射表征

2．4．2 形貌表征

2．4．3 热重-差热分析

2．4．4 BET-BJH表征

2．5 电化学性能测试

2．5．1 电化学测试原理

2．5．2 电极的制备

2．5．3 电化学性能测试装置

2．5．4 循环伏安法测试

2．5．5 充放电测试

2．5．6 交流阻抗法测试

第三章 纳米NiO的制备及其电容特性

3．1 样品的制备

3．2 NiO样品的表征与分析

3．2．1 NiO样品的XRD分析

3．2．2 NiO样品BET和BJH分析

3．2．3 NiO样品的SEM分析

3．2．4 纳米NiO样品的电化学测试与分析

3．3 本章小结

第四章 纳米NiO／泡沫镍复合电极材料的制备及其电化学性能

4．1 样品的制备

4．1．1 以NiSO4为镍源制备纳米NiO／泡沫镍复合材料

4．1．2 以Ni(NO3)2·6H2O为镍源制备NiO／泡沫镍复合材料

4．2 以NiSO4为镍源的纳米NiO／泡沫镍复合材料的研究

4．2．1 影响因素讨论

4．2．2 NiO／泡沫镍样品的电化学性能测试与分析

4．3 以Ni(NO3)2·6H2O为镍源的纳米NiO／泡沫镍复合材料的研究

4．3．1 影响因素讨论

4．3．2 NiO／泡沫镍样品的电化学性能测试与分析

4．4 不同镍源及泡沫镍集流体对样品的影响

4．4．1 不同镍源对样品形貌影响

4．4．2 泡沫镍集流体对样品形貌的影响

4．5 本章小结

第五章 纳米NiO／ACFC电极材料的制备及其电化学性能

5．1 样品的制备

5．2 NiO／ACFC样品的表征与分析

5．2．1 NiO／ACFC样品的XRD分析

5．2．2 NiO／ACFC样品的SEM分析

5．3 影响因素讨论

5．3．1 添加剂的影响

5．3．2 尿素量的影响

5．4 NiO／ACFC样品的电化学性能测试与分析

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录