Co3O4基复合电极材料的制备与电化学性能研究

摘要

超级电容器作为一类新型绿色储能器件，具有功率密度高，循环寿命长，充放电速度快以及环境友好等显著优点，有望成为下一代能源存储设备。根据电荷存储机制，超级电容器大致可以分为两类，即双电层电容器和赝电容器。碳材料属于双电层电容，主要通过电极/电解液界面发生可逆的静电离子吸附来存储电荷。过渡金属氧化物和导电聚合物属于赝电容，主要利用电极材料表面发生的快速可逆的法拉第氧化还原反应来存储电荷。目前，对于赝电容超级电容器的研究主要集中在过渡金属氧化物，其丰度高，价格低廉；典型的Co3O4具有丰富的法拉第赝电容，理论比电容相当高，但循环稳定性和速率比电容性能仍不能满足实际应用的需求。最近，几种电活性材料组合后的多组分复合材料由于协同效应的作用表现出优异的电化学性能。本论文针对Co3O4电极材料的缺点，设计并合成了两种Co3O4基复合电极材料，对其电化学性能作了充分研究和讨论。主要研究内容如下：
　　（1）通过简单的水热法和化学浴沉积法在泡沫镍集流体上制备了Co3O4@NiCo2O4复合电极材料。电化学测试结果表明，Co3O4@NiCo2O4复合电极材料在3 mA/cm2电流密度下面积和质量比电容分别达到1.33 F/cm2和1330 F/g，优于原始的Co3O4电极材料（0.42 F/cm2和840 F/g）。而且具有优异的速率比电容，即使电流密度增大到30 mA/cm2，比电容仍能保持原始的72％。同时， Co3O4@NiCo2O4复合电极材料具有超高的循环稳定性（5000圈后比电容保持率为100.7%）。
　　（2）通过简单的溶剂热法和电化学沉积法在泡沫镍集流体上制备了Co3O4@PPy复合电极材料。研究了第二步电化学沉积过程中不同的吡咯（Py）单体浓度和电沉积时间对杂化结构材料形貌的影响，结合电化学性能测试结果得到了沉积时间和吡咯（Py）单体浓度最优化方案（288 mM，8 min）。电化学测试结果表明，Co3O4@PPy电极材料在2 mA/cm2电流密度下面积和质量比电容分别高达2.11 F/cm2和1762 F/g，约为原始Co3O4电极材料的4倍和1.6倍（0.54 F/cm2和1082 F/g）。而且 Co3O4@PPy电极材料的等效串联电阻（0.238Ω）比Co3O4电极材料（0.319Ω）更低。此外，该电极材料在功率密度为418 W/kg时的能量密度高达61.2 Wh/kg，即使在大功率密度4180 W/kg下能量密度仍达到39.7 Wh/kg。具有介孔结构和高比表面积的Co3O4@PPy三维杂化电极有利于电解液的浸润，促进电子和离子的扩散，加快电荷转移动力学过程，提高电极材料的利用率。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的发展历史

1.2.2 超级电容器的特点与应用

1.3 超级电容器的分类与工作原理

1.3.1 双电层电容器的工作原理

1.3.2 法拉第赝电容器的工作原理

1.4 超级电容器电极材料的研究进展

1.4.1 碳基电极材料的研究进展

1.4.2 导电聚合物电极材料的研究进展

1.4.3 过渡金属氧化物电极材料的研究进展

1.4.4 过渡金属氧化物基复合电极材料的研究进展

1.5 本课题的研究意义与内容

第二章 Co3O4@NiCo2O4复合电极材料的制备与电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料试剂与仪器设备

2.2.2 实验方法

2.2.3 电化学性能测试

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 实验设计思路与讨论

2.3.2 Co3O4超薄纳米片阵列的结构表征与讨论

2.3.3 Co3O4@NiCo2O4核壳纳米片阵列的结构表征与讨论

2.3.4 两种材料的电化学测试结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 Co3O4@PPy复合电极材料的制备与电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料试剂与仪器设备

3.2.2 实验方法

3.2.3 电化学性能测试

3.3实验结果与讨论

3.3.1 实验设计思路与讨论

3.3.2 介孔Co3O4纳米片阵列的结构表征与讨论

3.3.3 Co3O4@PPy杂化纳米片阵列的结构表征与讨论

3.3.4 Co3O4@PPy杂化复合物的形貌演变与生长机理讨论

3.3.5 两种材料的电化学测试结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 论文总结

4.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间获得的成果

致谢