超级电容器氧化镍基微米花电极电化学及力学性能研究

摘要

随着社会的快速发展，能源需求急剧增长，不可再生的化石燃料日益枯竭，并随之产生了一系列急需解决的环境和污染问题，大量的科研工作者将目标转向能对可再生新能源进行存储以及能量转换的储能器件。超级电容器具有高功率密度、良好的稳定性和较快的充放电速率等优点，被广泛应用于电动汽车、太阳能发电、航空航天、电子通讯和军工等领域。对超级电容器的性能起关键作用的电极材料成为了该领域的研究热点。本文制备了氧化镍微米花及氧化镍&乙炔黑复合微米花电极，对其形貌、结构、电化学性能及力学性能进行研究，同时对载荷作用下电极材料的电化学稳定性进行研究。 (1)通过一步水热沉淀法结合原位生长法制备泡沫铜基NiO电极材料，研究了不同水热时间下所制备电极材料的形貌、组成、结构和电化学性能。SEM及XRD结果表明水热时间为6 h时得到的泡沫铜基NiO电极材料微米花结构完整，并具有较高的堆积密度和良好的结晶性能。电化学测试结果表明，水热反应6 h得到的NiO微米花电极材料具有最高的比容量，在0.5 mA/cm2电流密度下的比容量为1494.8F·g-1，且恒流充放电100次后，比容量保持率为70.8%，表现出良好的电容性能与循环性能。 (2)采用循环加卸载的方式，对不同水热时间得到的泡沫铜基NiO微米 花电极材料进行压缩实验，结果表明，反应不同时间得到的电极在加载深度低于0.3 mm的范围内，均基本处于弹性变形阶段，其中水热反应6 h得到的电极在各个加载深度下的弹性模量均最小。 (3)研究不同载荷作用后泡沫铜基氧化镍微米花电极的电化学性能，结果表明，载荷作用后电极材料的内阻较未压缩时明显增加，氧化还原反应的可逆程度降低。压入深度分别为0.4 mm和1.2 mm时的比容量分别为1368.4 F·g-1和1348.7 F·g-1，循环100次后，比容量保持率分别为70.7%和65.6%，表明压入深度越大，电极比容量衰减越快，循环性能越差。 (4)以乙炔黑为碳源，采用一步水热沉淀法结合原位生长法制备泡沫铜基氧化镍/乙炔黑微米花复合电极材料，并对其形貌、组成、结构和电化学性能进行研究。XRD和SEM结果证实了NiO&C微米花结构的形成。电化学测试表明，NiO/C复合电极材料的内阻抗更小，在0.5 mA/cm2电流密度下的比容量为1880 F·g-1，高于NiO的1494.8 F·g-1，其循环100次之后的比容量保持率为75.9%，也高于NiO的70.8%，表明乙炔黑能够提高NiO微米花的电化学性能。 (5)对泡沫铜基 NiO/C 电极材料在四种不同压入深度下的力学行为及其载荷作用后的电化学性能进行研究，结果表明压入深度为0.9 mm时电极材料整体的弹性模量最大，而在压入深度为0.3 mm时最小。受压作用下电极材料的比容量均有所衰减，尤其压入深度为0.9 mm时衰减的最多，比容量仅为1023.2 F·g-1，结果表明高强度载荷作用对电极材料的电化学性能造成了很大的破坏。

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