【摘要】：當今世界的能源需求主要是通過消耗化石燃料等資源而提供的,這導致了全球的生態(tài)問題,并對經濟和社會產生了持久的不良影響。因此社會迫切需要開發(fā)高效、環(huán)保和高性價比的儲能設備,以滿足各個領域的能源需求。因此環(huán)保安全、低成本、高性能的超電容器件和電池對便攜式電子產品以及電動汽車越來越重要。過渡金屬類水滑石電極材料,作為層狀材料的代表,由于具有較高的比電容量和能量密度且價格低廉、容易制備,近年來己成為堿性電池、超電容器等電極材料的研究熱點。然而,在傳統(tǒng)的超電容器件和電池中,正極通常由活性材料、粘合劑、導電添加劑等混合而成,這會導致離子和電子擴散效率低,從而影響電化學性能。而納米陣列材料,比普通納米材料具有更大的電化學活性比表面,并且活性材料和基底良好的接觸使其具有更高的電導率。因此將活性材料通過納米陣列的構筑,實現高性能的電極具有廣泛的前景。電極材料的結構對于器件儲能性能影響極大,因此應進一步探索和優(yōu)化活性材料的結構和形貌。針對以上問題,本文將論述述如下:1、在溫和條件下利用一步水熱法合成鎳釩水滑石納米陣列材料,通過控制鎳離子和釩離子不同的投料比,制備電化學性能最優(yōu)的NiV-LDH陣列材料。對該陣列材料進行了結構表征,以及利用各種電化學測試方法研究材料的電化學儲能性能。鎳釩水滑石納米陣列材料,應用于超電容儲能電極研究在世界范圍內屬于首次報道。通過測試結果表明,NiV-LDH納米陣列材料在1 Ag-1的電流密度下比電容值可達到2420 Fg-1,而在20 A g-1的大電流密度下,該陣列材料的比電容依然可以達到1066 Fg-1,大電流下的倍率特性44.5%,另外在20 A g-1的大電流密度下,循環(huán)2000次后容量保留約68%,這對于材料的實際應用有很大意義。由于特殊的結構優(yōu)勢使得NiV-LDH納米陣列材料材料具有穩(wěn)定α-Ni(OH)2的晶相的特性,實現材料優(yōu)異的電化學儲能性能。鎳釩水滑石納米陣列材料,是一種高性能且具有廣泛應用前景的超級電容器電極材料。2、利用簡單而有效的水熱法,在多孔的泡沫鎳上原位沉積生長多層級結構Co304@NiV-LDH納米陣列材料,實現電極活性材料的高負載和提升電極面積比電容量。對該陣列材料進行了結構表征,以及研究材料的電化學性能。這種新型的多級納米陣列結構結合了大孔泡沫鎳和核/殼納米線陣列的優(yōu)點,如有效提升電極材料電導率,提高比表面積,縮短了離子擴散和電子傳輸的路徑。實驗測試結果顯示,該多層級結構Co304@NiV-LDH殼核納米陣列材料,實現單位面積高載量(～11.1mg cm-2)、極高的面積比容量(1.98 mAh cm-2在5 mA cm-2電流密度下)、優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)性能(充放電循環(huán)測試1000次后未有容量衰減),應用于電池的正極具有極大前景。因此,將該多級納米陣列材料與鋅基負極搭建成一個新型的鎳/鈷-鋅電池,經過電化學測試,該電池可以展現出優(yōu)異的儲能特性,高工作電壓窗口(1.71 V)、較高的能量密度(高達2.2 mWh cm-2)和功率密度(高達82.0 mWcm-2)、良好的循環(huán)穩(wěn)定性。該電化學性能的提高歸因于獨特的層次陣列結構和材料間的協(xié)同效應。這項工作良好定義陣列設計對于電化學儲能器件的優(yōu)化提供一種新的思路。
【圖文】：

ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ａｎｄ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ＾８１逡逑超電容器可以根據儲能機理分為兩類：（ｉ）雙電層電容器（雙電層電容器）逡逑（圖１－２邋ａ），在電極和電解質之間的界面電荷分離，，如碳材料等；和（２）贗電容逡逑器（圖ｌ－２ｂ），快速和可逆的氧化還原過程，在電極表面發(fā)生，如金屬氧化物逡逑或導電聚合物＾１３］。各種過渡金屬氧化物或氫氧化物，如二氧化錳、氧化鎳、氧逡逑化鈷、氫氧化鎳、氫氧化鈷等，己在儲能系統(tǒng)作為電極材料進行了廣泛的研究。逡逑與碳和導電聚合物相比，過渡金屬氧化物或氫氧化物等贗電容材料可以實現更高逡逑的比容量。其中，過渡金屬類水滑石（ＬＤＨｓ）材料，由于它們具有陰離子交換、逡逑可調性化學成分、較高的氧化還原活性和對環(huán)境友好，越來越引起研宄人員的重逡逑視［１４－１６］。例如ＮｉＡｌ－ＬＤＨ［１７］，邋ＮｉＣｏ－ＬＤＨ［１８］，邋ＮｉＭｎ－ＬＤＨ丨邋１９＿ＣｏＭｎ－ＬＤＨ丨２Ｇ］等材料逡逑也受到廣泛的研宄

用率和界面的電子傳輸，展示出比普通材料更高的容量。而納米陣列材料，比普逡逑通納米材料具有更高的電導率，提供更多的材料體積空間，更大的比表面積［２１］。逡逑圖１－３為納米陣列材料典型的結構示意圖。由于傳統(tǒng)的納米陣列材料負載量較低逡逑（一般低于５邋ｍｇ邋ｃｍ－２），當負載量太高會使得材料的利用率低下，反應過程中很逡逑容易使得活性材料失去活性，導致活性材料穩(wěn)定性不好。針對以上問題，可以通逡逑過構建多層級納米陣列結構電極，有文獻報告這是一種有效的方法來實現高質量逡逑負載和提升活性材料的利用率，因為多層級納米陣列結構可以提供較大的比表面逡逑積，更短的離子和更有效的電子擴散路徑，并存在一個潛在的多組分的協(xié)同效應，逡逑從而實現更大的比容量，更優(yōu)異的倍率特性以及循環(huán)穩(wěn)定性［２２］。因此，多層級納逡逑米陣列結構電極在電化學儲能系統(tǒng)以及納米領域的應用有必要進一步深入的研逡逑究。逡逑３逡逑
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TM53

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 崔接武;王巖;張勇;舒霞;吳玉程;;一維納米陣列制備及其在電化學生物傳感器中的應用[J];功能材料與器件學報;2014年06期

2 李邵興;徐光青;鄭治祥;呂s

本文編號：2621627