多孔碳与氧化镍/碳材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

作为新型储能器件，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电时间短等特点，在便携电子设备及新能源汽车等领域有巨大的应用潜能。超级电容器由正/负极、隔膜和电解液组成，电极材料是影响其性能的关键因素。具有高比表面积或多孔结构的电极材料通过提高电荷有效存储面积和减小离子迁移距离的方式促进电化学储能反应发生。然而，多孔、高比表面积电极材料制备过程复杂，从而限制了它们的规模化应用。针对此类问题，开发廉价高效的制备技术是本文的主要研究方向。
　　高吸水树脂作为一种廉价高分子材料具有独特的结构特征，有望通过碳化的方法高效制备多孔碳材料。溶液燃烧法则利用氧化剂(通常是硝酸盐)和燃料之间的快速放热反应制备多孔金属氧化物及其纳米复合材料，生产效率高且成本低。本文聚焦上述两方面内容，制备了多孔碳及氧化镍/碳复合材料，并研究和优化了其电化学特性，主要内容如下：
　　（1）以高吸水树脂为前驱物，通过对碳化温度控制制备出不同形貌的无定型多孔碳。结果表明：经过700 ℃碳化的样品在1M KOH溶液中，电流密度1A/g时，比电容为135 F/g，当电流密度增大到10 A/g时，其比电容为105 F/g；比电容保持率为76％。在此基础上，采用KOH对不同样品进行化学活化，并探讨了活化工艺对产物性能的影响。结果表明：700 ℃下制备出的样品，经相同温度KOH活化后，1A/g时比电容提升至240F/g；当电流密度增大到10A/g时，其比电容仍可达到190F/g，5000次循环后，比电容保持率为95%。
　　（2）以硝酸镍和柠檬酸为主要原料，通过溶液燃烧法制备了介孔型非晶NiO/C颗粒。研究发现，通过改变硝酸根/柠檬酸摩尔比可以有效调控产物成分与微观形貌。电化学测试表明，当硝酸根/柠檬酸摩尔比为3.2:1时，制备出的样品在1A/g电流密度下，比电容高达1270F/g，10A/g时比电容为642F/g，经过2000次充放电后，容量保持率为77%。对该样品进行不同气氛及时间退火处理后，调控样品中碳组分的碳化程度可以进一步优化电化学性能；氮气气氛下退火2h后，材料的比电容提高到了1570F/g。最后，通过对不同负载量的电极进行电化学测试发现，当泡沫镍上样品负载量为9.38 mg/cm2时，其面积电容达到了5.52F/cm2，并且在2000次循环后容量保持率为70%，展示了其潜在的应用能力。