阴离子插层水滑石(LDHs)纳米结构在超级电容器中的应用研究

摘要

气候的变化和化石燃料的减少要求人类社会将更多的目光转向可持续、可再生的能源，而能源存储器件在现代社会中扮演着越来越重要的角色。超级电容器作为一种具有高功率密度、循环寿命长、快速充放电等优点的储能器件，在各个领域应用广泛，但是较低的能量密度限制其更大的发展。电极材料是电化学电容器非常重要的部分，同时也是影响其性能的主要因素。 本文重点研究了阴离子插层水滑石作为超级电容器正极材料，制备了碳酸根离子插层 NiAl LDH，并以此为交换前驱体，采用离子交换法制备了氯离子和硝酸根插层 NiAl LDH，对制备的材料进行电化学性能测试，获得了高比容量、高倍率特性和长循环寿命等性能优势。具体如下： (1)以硝酸铝为铝源，水热法制备纳米片状交叉结构NiAl LDH-CO32-，然后利用离子交换法分别制备NiAl LDH-Cl-和NiAl LDH-NO3-材料。通过对三种材料进行表征分析对比，Cl-和 NO3-成功交换进入 NiAl LDH 层间，并发现制备 NiAl LDH-Cl-存在剥离再组装的过程，产生了更好的花状纳米片结构。但是，不同的阴离子插层的水滑石材料的结构、形貌没有明显的改变。 (2)对以硝酸铝为铝源制备的三种阴离子插层水滑石材料进行电化学性能测试，发现NiAl LDH-Cl-在1A/g的电流密度下，具有最高的比容量，为2122F/g，NiAl LDH-CO32-、NiAl LDH-NO3-分别为1138F/g和1747F/g。10A/g时比容量衰减分别为 22%、7.38%、21.1%。电极材料在 500次循环测试后，NiAl LDH-Cl-具有最好的循环稳定性，保留有98.29%的比容量。 (3)以 AlOOH 为铝源制备纳米片组装成椭球状结构的 AlOOH-NiAl LDH-CO32-，以此为前驱体，利用离子交换法分别制备 AlOOH-NiAl LDH-Cl-和AlOOH-NiAl LDH-NO3-材料。对三种插层材料进行结构、形貌表征，发现 Cl-和NO3-成功交换进入NiAl LDH层间，而对材料的结构、形貌没有任何影响。 (4)对以 AlOOH 为铝源制备的三种阴离子插层水滑石材料进行电化学性能测试，发现 AlOOH-NiAl LDH-Cl-在 1A/g 的电流密度下，具有最高的比容量，为1767F/g ， AlOOH-NiAl LDH-CO32-、AlOOH-NiAl LDH-NO3-分别为 1122F/g 和1329F/g。10A/g时比容量衰减分别为 15.8%、23.9%、11.1%。电极材料在 500次循环测试后，NiAl LDH-Cl-保留有 97.45%的比容量，说明 AlOOH-NiAl LDH-Cl-的倍率性能较差，但循环稳定性最好。

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