基于NiCo2S4复合材料的柔性固态超级电容器器件制备与储能性能研究

摘要

超级电容器作为一种电化学储能装置，由于其比容量高、充电效率高、使用寿命长、功率密度大、工作温度范围宽、可快速充放电以及对环境友好等独特属性在消费电子产品和混合动力车领域具有广泛应用前景。其中，柔性固态超级电容器作为新型电子器件在柔性、轻量化、可穿戴储能器件领域受到研究者的广泛关注。本文以NiCo2S4纳米阵列作为基础材料，制备了一系列NiCo2S4基复合电极材料，研究了其形貌、结构和电化学性能，并利用这些正极材料制备了柔性固态超级电容器。具体研究内容如下: (1)通过简单的水热法在碳纤维上合成了NiCo2S4纳米管和纳米片阵列。纳米管直径大约为50-100 nm，长度约为2μm;纳米片平均孔隙约为500 nm。不同形貌的NiCo2S4纳米阵列电化学性能不同，NiCo2S4纳米管在2 mA/cm2时具有59μAh/cm2的面积比容量，具有优异的循环稳定性（3000次无明显衰减）。NiCo2S4纳米片在2 mA/cm2时具有41μAh/cm2的面积比容量，具有较好的倍率性能保持率(74％)。 (2)通过两步水热法制备Ni-Co前驱体@Ni-Co前驱体纳米线/纳米片，再通过一步硫化法制备得到分级NiCo2S4@NiCo2S4纳米管/纳米片阵列。该复合电极在2 mA/cm2时具有245μAh/cm2的面积比容量，具有较好的倍率性能（电流密度从2增加至20mA/cm2保持率73％）和循环稳定性(3000次循环后保持86％)。此外，组装得到的柔性固态超级电容器器件在功率密度为11.4 mW/cm3时表现出1.03 mWh/cm3的最大体积能量密度，以及2000次循环无明显衰减的优异循环稳定性。表明一步硫化法设计和制造核壳结构金属硫化物的可行性，以及该复合材料作为高性能正极材料所具有的潜在价值。 (3)通过两步水热法合成NiCo2S4@Ni-Cu层状双金属氢氧化物(LDH)复合电极。该复合电极在2 mA/cm2时具有高达632μAh/cm2的面积比容量，当电流密度从2增加至20 mA/cm2时其倍率性能保持率达到84％，3000次循环后容量仍保持74％。此外，组装得到的柔性固态超级电容器器件在功率密度为13 mW/cm3时表现出1.05 mWh/cm3的最大体积能量密度，以及2000次循环后保持率75％的循环稳定性。Ni-Cu双金属氢氧化物的引入，为设计和制备高性能超级电容器正极材料提供了一种新的思路。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2超级电容器概述

1．2．1超级电容器电荷存储机制

1．2．2超级电容器组成与结构

1．3相关超级电容器电极材料研究进展

1．3．1过渡金属硫化物

1．3．2双金属氢氧化物

1．4柔性固态超级电容器概述

1．5本文的研究内容和目的

第二章NiCo2S4电极材料的可控制备及其电化学性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料与仪器

2．2．2管状和片状NiCo2S4纳米阵列的可控制备

2．2．3材料表征及电化学性能测试方法

2．3结果与讨论

2．3．1 NiCo2S4纳米阵列的形貌与结构表征

2．3．2 NiCo2S4纳米阵列的电化学性能分析

2．4本章小结

第三章NiCo2S4@NiCo2S4复合电极与柔性固态器件的制备及其电化学性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．2柔性固态超级电容器器件的组装

3．2．3材料表征及电化学性能测试方法

3．3结果与讨论

3．3．1 NiCo2S4@NiCo2S4复合电极的形貌与结构表征

3．3．2 NiCo2S4@NiCo2S4复合电极的电化学性能分析

3．3．3柔性固态超级电容器器件的电化学性能分析

3．4本章小结

第四章NiCo2S4@Ni-Cu LDH复合电极与柔性固态器件的制备及其电化学性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．2 NiCo2S4@Ni-Cu LDH分级复合电极的制备

4．2．3柔性固态超级电容器器件的组装

4．2．4材料表征及电化学性能测试方法

4．3结果与讨论

4．3．1 NiCo2S4@Ni-Cu LDH复合电极的形貌与结构表征

4．3．2 NiCo2S4@Ni-Cu LDH复合电极的电化学性能分析

4．3．3柔性固态超级电容器器件的电化学性能分析

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢