碳布基金属氧化物/碳柔性电极材料的构筑及电化学电容性能研究

摘要

伴随着近年来对能源的需求日益增加，化石能源出现了日益枯竭的现象，同时化石能源的大量开发和利用对环境和生态造成了严重的污染和破坏。所以人类必须寻找一种可再生的清洁能源，改变目前主要的能源消耗模式。开发新型高效的储能材料与器件，电化学储能材料与器件便是主要的研究方向之一。同时，随着当今电子设备正呈现出柔性化和轻薄化的发展趋势，开发出具有体积小、重量轻、低成本、加工性能和电化学性能优异的柔性电化学电容器及其电极材料具有十分重要的意义。
　　本课题选择以碳布为基底，利用碳布本身良好的导电性能，在其表面构筑双电层和赝电容材料，研究其在碳布基柔性电化学电容器电极材料中的应用。具体的研究内容如下：
　　（1）使用水热合成法和热分解法，在碳布纤维的表面生长一层多孔的氧化镍纳米线，制备出氧化镍/碳布柔性电极材料。
　　（2）通过多步骤合成法，首先，通过水热法在碳布上合成作为模板的氧化锌（ZnO）纳米棒阵列，以葡萄糖为碳源通过高温碳化方法在合成ZnO纳米棒的表面生长均匀的碳层。在去除ZnO纳米棒之后，在碳布表面生长良好阵列形式的碳纳米管。最后，超薄多孔钴酸镍纳米片沉积在碳纳米管/碳布上制备出钴酸镍/碳纳米管/碳布（NiCo2O4/CNTs/CC）柔性超级电容器电极材料。
　　（3）通过扫描电子显微镜（SEM），投射电子显微镜（TEM）、X射线衍射分析仪（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等分析技术和方法表征了材料的形貌和微观结构。以2mol/L的KOH溶液作为电解液，采用循环伏安法，恒流充放电等方法测定其电化学性能。通过对电极材料进行折叠、拉伸等测试，研究电极材料的柔性性能。揭示了电极结构、外力作用与电化学性能的内在作用规律。
　　通过实验优化，在最佳条件制备出的氧化镍/碳布柔性电极材料在扫描速率为2mV/s，电压窗口为0-0.5V时，比电容达到652F/g，在电流密度为13.7A/g的条件下经过10000次恒流充放电循环后，比电容的保留值为92％。通过最佳条件制备出的钴酸镍/碳纳米管/碳布柔性电极材料在扫描速率为5mV/s，电压窗口为-0.1-0.5V时，比电容可以达到1518F/g，在电流密度为10A/g的条件下经过3000次恒流充放电循环后，比电容的保留值为88%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1前言

1.2超级电容器的分类

1.2.1双电层电容器

1.2.2法拉第赝电容器

1.3 柔性电极材料的研究现状

1.3.1纸基柔性电极材料

1.3.2 海绵基柔性电极

1.3.3 纺织纤维基柔性电极材料

1.3.4 碳布基柔性电极材料

1.4 课题的提出、意义与研究内容

第二章 实验方法与表征技术

2.1 实验试剂与仪器设备

2.1.1 实验试剂

2.1.2 仪器设备

2.2 材料形貌与结构表征

2.2.1 透射电镜

2.2.2 扫描电子显微镜

2.2.3 X射线衍射分析仪

2.2.4 X射线光电子能谱

2.2.5 电感耦合等离子体发射光谱

2.3 材料电化学性能表征

2.3.1 循环伏安测试

2.3.2 恒流充放电测试

2.3.3 循环稳定性测试

第三章 氧化镍/碳布柔性电极材料的制备、表征及其电化学性能研究

3.1前言

3.2 实验部分

3.2.1 碳布的前处理

3.2.2 氧化镍/碳布柔性电极材料的制备

3.2.3 氧化镍电极材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 氧化镍/碳布柔性电极材料的制备

3.3.2 氧化镍/碳布柔性电极材料的结构表征

3.3.3 氧化镍/碳布柔性电极材料的电化学性能表征

3.3.4 氧化镍/碳布柔性电极材料的柔性性能表征

3.4 小结

第四章 钴酸镍/碳纳米管/碳布柔性电极材料的制备、表征及其电化学性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1碳布的前处理

4.2.2氧化锌/碳布材料的制备

4.2.3碳纳米管/碳布电极材料的制备

4.2.4钴酸镍/碳纳米管/碳布复合电极材料的制备

4.3结果与讨论

4.3.1钴酸镍/碳纳米管/碳布复合电极材料制备

4.3.2 钴酸镍/碳纳米管/碳布复合电极材料的结构表征

4.3.3 钴酸镍/碳纳米管/碳布复合电极材料的电化学性能的表征

4.3.4 钴酸镍/碳纳米管/碳布复合电极材料的柔性性能表征

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间所获得的研究成果

致谢