溶剂热法制备金属氧化物与活性炭的复合材料及其电化学性能的研究

摘要

超级电容器是介于传统电容器和锂离子电池之间新型的储能元件，具有能量传递快、功率密度高、循环寿命长（＞105次）等优点，是一种具有竞争力的储能器件。超级电容器的一个很重要组成部分是电极，其性能是影响超级电容器性能的关键因素。
　　本文以活性炭、金属盐和沉淀剂为原料，通过溶剂热法合成了金属氧化物与活性炭和金属氢氧化物与活性炭的复合材料。并采用XRD、SEM-EDS、FTIR、N2吸附-脱附曲线和TG-DSC等技术表征了所得复合材料的组成与结构;用循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法测量了复合材料的电化学性能。主要研究内容如下:
　　(1)采用FeCl3·6H2O、AC（石油焦活性炭）和沉淀剂NaOH溶剂热合成了Fe2O3负载AC复合材料。所得复合材料具有高的比电容215 F/g(电流密度为1 A/g)和良好的倍率特性(40 A/g容量保持率达65.1％)。其优良的电化学性能主要源自于Fe2O3纳米颗粒的高赝电容特性和AC的高比表面积/导电性，为电子/离子传输和离子存储提供了高效的通道。
　　(2)采用四种不同沉淀剂NaOH、CH3COONa、HMT、CO(NH2)2,研究了沉淀剂种类对复合材料电化学性能的影响。XRD、SEM-EDS和TG分析表明，所制备的复合材料由α-Fe2O3（含量:48.1、47.9、44.2、44.3％）纳米粒子负载在AC颗粒(～20μM)上而形成。同时，沉淀剂的种类及其物质的量对Fe2O3/AC复合材料的比电容具有显著的影响。当CH3COONa∶FeCl3的摩尔比为9时，制备出的复合材料表现出最高的比电容240 F/g（电流密度1A/g）;当NaOH∶FeCl3的摩尔比为1.5时，制备出的复合材料表现出优良的倍率特性，在电流密度为1 A/g时，比电容为215 F/g，而电流密度为2、5、10、20和40 A/g时，容量保持率高达89.3、82.3、78.1、72.6和65.1％。
　　(3)以Co(NO3)2·6H2O、CO(NH2)2和AC为原料，利用溶剂热法合成了Co(OH)2/AC复合材料。XRD、SEM-EDS、FTIR和TG分析表明，复合材料由～2μm非晶Co(OH)2片状颗粒负载在AC颗粒上构成。电化学测试表明当电流密度为1 A/g时，比电容达到301 F/g，在电流密度为20 A/g时，比电容为164 F/g。相比之下，纯Co(OH)2或AC在同等条件下比电容很低，分别为195和33F/g。复合材料优良的电化学性能与AC的高导电性和Co(OH)2赝电容特性协同作用密切相关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器概述

1．1．1 超级电容器发展史

1．1．2 超级电容器的特点和应用

1．1．3 超级电容器与锂离子电池的比较

1．2 超级电容器的储能机理

1．2．1 双电层电容器储能机理

1．2．2 赝电容电容器储能机理

1．2．3 混合型超级电容器

1．2．4 超级电容器的发展现状

1．3 超级电容器的电极材料

1．3．1 碳基材料

1．3．2 过渡金属氧化物

1．3．3 导电聚合物

1．4 本课题研究的主要内容

第二章 实验试剂、仪器、表征方法、电化学测试方法

2．1 化学试剂

2．2 实验仪器

2．3 实验流程图

2．3．1 物相分析

2．3．2 微观形貌分析

2．3．3 热重分析

2．3．4 傅里叶红外光谱分析

2．3．5 比表面积测试

2．4 超级电容器电化学测试

2．4．1 电极的制备

2．4．2 电化学测试

第三章 Fe2O3／AC复合材料的制备用于超级电容器电极材料及其协同效应的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 小结

第四章 沉淀剂的种类和物质的量对Fe2O3／AC复合材料电化学性能的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 沉淀剂对Fe2O3／AC复合材料的影响

4．3．2 样品-NaOH-1．5和-CH3COONa-9倍率特性的比较

4．4 小结

第五章 溶剂热法一步合成Co(OH)2／活性炭复合材料用于超级电容器电极材料

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 结果和讨论

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表和撰写的论文