溶液燃烧法制备钴氧化物及其复合材料的超级电容器性能的研究

摘要

便携式电子设备及新能源汽车的迅速发展对能源存储设备提出了日益严苛的要求。超级电容器具有很高的功率密度和很长的循环寿命，并且其温度特性好、绿色环保，非常适用于短时间、高功率能源存储。超级电容器由正极、负极、隔膜与电解质组成，电极材料是影响超级电容器电化学性能的重要因素之一。钴氧化物（Co3O4和CoO）理论比电容高，是一种极具潜力的超级电容器电极材料。但是，钴氧化物同时存在电导率低，钴离子有毒等缺点,限制其电化学性能和实际的运用。在钴氧化物中引入碳材料和其他廉价氧化物，既可以提高体系导电性，又可以降低钴的应用，是一种不错的策略。
　　获得优异电化学性能钴氧化物的方法很多，如沉淀法、电沉积法、水热法和溶剂热等。但是这些方法大多耗时耗力，并不适用于大规模、特别是连续生产钴氧化物。溶液燃烧法利用氧化剂（通常是硝酸盐）和燃料之间快速、自持续的放热反应制备多孔纳米材料，生产效率高且成本低。本论文采用溶液燃烧法制备钴氧化物及其三元、四元纳米复合材料，并研究和优化其电化学性能。主要研究内容及结论如下:
　　1.采用溶液燃烧法合成了Co3O4和Co3O4/CoO纳米颗粒。XRD和SEM测试表明，柠檬酸/硝酸钴摩尔比对产物的相组成和形貌有很重要的影响。随柠檬酸量增加，产物从团聚的立方Co3O4纳米晶转变为多孔片状的立方Co3O4和四方CoO混合物。电化学测试表明，当柠檬酸/硝酸钴摩尔比是7∶27时，样品(Co3O4)的比电容最高，为179.7 F·g-1（电流密度0.2 A·g-1）。经N2气氛350℃温度3小时退火后，材料比电容提高到362.8 F·g-1;在4A·g-1电流密度下，样品比电容仍达285.7 F·g-1，循环充放电1000次以后，比电容保持73.5％。
　　2.在上述燃烧法的基础上，在300℃温度空气气氛中一步合成了钴-镍氧化物/C/Ni三元纳米复合材料。在溶液燃烧过程中，过量的柠檬酸碳化形成无定型C，并将Ni2+还原成金属Ni粒子。实验结果证实，当Co∶Ni∶C6H8O7摩尔比为4∶5∶86/9时，样品的电化学性能最优，在1 A·g-1的电流密度下，比电容高达446 F·g-1，在10A·g-1的电流密度下，比电容仍为280 F·g-1，循环1000次，比电容保持率为80.5％。
　　3.在前驱体中加入酸化的CNTs，一步合成了钴-镍氧化物/C/Ni/CNTs四元复合材料。电化学测试表明:在电流密度为1 A·g-1时，材料比电容达579 F·g-1，在10A·g-1时，比电容也达到350 F·g-1，比电容保持率为84.1％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器分类

1．2．1 双电层电容器

1．2．2 法拉第赝电容器

1．3 电极材料研究现状

1．3．1 碳材料

1．3．2 过渡金属氧化物

1．3．3 导电聚合物

1．4 钴氧化物研究现状

1．4．1 钴氧化物电化学反应机理

1．4．2 钴氧化物制备及性能

1．5 溶液燃烧法简介

1．5．1 溶液燃烧法概述

1．5．2 溶液燃烧法特点

1．6 钴氧化物电化学性能改进方法

1．6．1 影响钴氧化物电化学性能的因素

1．6．2 钴氧化物电化学性能改进方法

1．7 本论文研究内容和创新之处

1．7．1 研究内容

1．7．2 创新之处

第二章 溶液燃烧法合成钴氧化物纳米颗粒及其电化学性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 原料与仪器

2．2．2 材料制备及表征

2．2．3 电极制备及电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 柠檬酸／硝酸钴摩尔比的影响

2．3．2 退火温度的影响

2．3．3 最优样品的电化学性能表征

2．4 小结

第三章 一步溶液燃烧法合成钴-镍氧化物／C／Ni--元复合材料及其电化学性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与仪器

3．2．2 材料制备及表征

3．2．3 电极制备及电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 柠檬酸／氧化剂摩尔比的影响

3．3．2 Co∶Ni摩尔比的影响

3．3．3 最优样品的电化学性能表征

3．4 小结

第四章 一步溶液燃烧法合成钴-镍氧化物／C／Ni／CNTs四元复合材料及其电化学性能

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与仪器

4．2．2 材料制备及表征

4．2．3 电极制备及电化学测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 物性表征

4．3．2 电化学性能表征

4．4 小结

第五章 研究总结与展望

5．1 研究总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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