NiCo2O4和NiCo2O4/CNTs复合膜电极的制备及电化学性能的研究

摘要

电极材料是制约超级电容器电化学性能的关键因素，制备容量高、稳定好、价格低廉和环保的电极材料是促进电容器实际应用和发展的首要目标。二元氧化物钴酸镍(NiCo2O4)，因其环境友好、资源丰富、价格低廉和其结构、形貌多样性等特点，成为作为能量存储系统中电极材料研究的新热。
　　在本文中，首先通过三嵌段共聚物——P123作为生长调控剂，研究了P123浓度以及反应条件对NiCo2O4形貌以及电化学性能的影响。实验发现不同P123浓度对NiCo2O4的形貌的影响很大，其中在水浴条件下，P123浓度为5％时得到了近似透明的圆形纳米片，在1A/g电流密度下电容值可达623F/g，当电流密度增至10A/g时，容量保持率为60％;而当在水热条件下，晶体生长能力增强，P123对NiCo2O4的生长调控与反应条件对NiCo2O4晶体生长的调控二者之间存在竞争作用，此时不添加P123得到的海胆状的NiCo2O4电化学性能最好，在1A/g电流密度下电容值可达740F/g，当电流密度增至10A/g时，容量保持率为59％。
　　其次，为了改善NiCo2O4电极材料的倍率特性，同时免去传统电极制备过程中添加的粘结剂，本实验通过化学浴沉积然后烧结的方法将连续自支撑碳管膜与NiCo2O4复合制备NiCo2O4/CNT自支撑膜电极。实验得到的核壳结构的NiCo2O4/CNT纳米结构复合膜保持了以CVD法纺出的连续碳管膜的柔性、多孔的特点，极大提高了NiCo2O4的导电性，并且，碳管的加入还有效防止了NiCo2O4之间的团聚。实验还发现，碳管负载量和碳管酸处理时间对复合材料的结构和性能都有影响。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)可以观察到复合结构中保留了原碳管膜的3D网络结构，并且在最佳的NiCo2O4/CNT复合结构中，每根碳管上都被粒径仅5nm的球形NiCo2O4纳米颗粒均匀且单层包覆。该复合结构在三电极测试系统1A/g电流密度下电容值可高达828F/g，在20A/g高电流密度下，电容值仍然能够保持近80％，展现出了良好的倍率特性;甚至该复合材料在5A/g大电流密度下循环3000圈之后，容量保持率超过99％，展现出了优异的循环稳定性。另外为了进一步评估NiCo2O4/CNTs自支撑膜电极实际的应用，实验以NiCo2O4/CNTs和商用活性炭分别作为正负极制备非对称型超级电容器(NiCo2O4/CNTs//AC)，并从二电极体系测试结果可知，当NiCo2O4/CNTs//AC能量密度为28.58Wh/kg时，功率密度为0.7kW/kg，当能量密度为14.18Wh/kg时，功率密度为14.18kW/kg。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 超级电容器概述

1．2．1 超级电容器特点

1．2．2 超级电容器的分类和储能机理

1．3 超级电容器电极材料

1．3．1 碳材料的研究

1．3．2 金属氧化物电极材料的研究

1．4 钴酸镍作为超电材料的研究进展

1．4．1 钴酸镍的制备研究进展

1．4．2 钴酸镍为基复合材料的研究

1．5 本课题研究的主要内容

第二章 实验过程

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验方案

2．3．1 模板法钴酸镍的合成

2．3．2 NiCo2O4／CNT复合材料的制备

2．4 材料结构与性能表征

2．4．1 材料的结构表征

2．4．2 材料的形貌表征

2．4．3 材料的电化学性能表征

第三章 NiCo2O4形貌调控对其电化学性能的影响

3．1 引言

3．2 反应条件对NiCo2O4形貌和性能的影响

3．2．1 水浴条件下不同浓度P123对NiCo2O4形貌和性能的影响

3．2．2 水热条件下不同浓度P123对NiCo2O4形貌和性能的影响

3．3 实验结果分析及P123作用机理讨论

3．4 本章小结

第四章 NiCo2O4／CNTs复合材料自支撑膜电极的制备及其电化学性能的研究

4．1 引言

4．2 纳米线阵列结构NiCo2O4／CNTs复合材料自支撑膜电极

4．2．1 阵列结构电化学性能表征

4．3 核壳结构NiCo2O4／CNTs复合材料的制备

4．3．1 核壳结构NiCo2O4／CNTs复合材料制备工艺的探究

4．3．2 核壳结构NiCo2O4／CNTs-21％复合材料

4．3．3 沉积量对核壳结构NiCo2O4／CNT自支撑膜电极的性能的影响

4．4 碳管处理对NiCo2O4／CNTs复合材料形貌及其电化学性能的影响

4．4．1 酸处理时间对碳管表面官能团的影响

4．4．2 酸处理时间对NiCo2O4／CNT复合材料形貌和结构的影响

4．4．3 酸处理时间对NiCo2O4／CNTs复合材料电化学性能的影响

4．5 本章小结

第五章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢