复合氢氧化镍材料的合成及其赝电容特性研究
可穿戴和便携式电子设备的快速发展，柔性，轻质和环境友好的柔性储能设备对储能元件的能量密度和储能速率提出了更高的要求。本论文主要针对二次电池的功率密度低且循环性能差，而传统的双电层电容器的能量密度低的问题，设计并制备了具有高比电容，超高倍率性能和循环寿命长的新型氢氧化镍类赝电容材料，本论文的主要研究内容如下: (1)本论文首先采用络合沉淀的方法在泡沫镍的表面合成了均匀的Ni(OH)2纳米片阵列，形成Ni Foam@Ni(OH)2复合材料。采用SEM和XRD测试对该复合材料的形貌和晶型进行表征。同时采用CV、恒流充放电、Tafel和交流阻抗等方法对样品进行电化学测试，结果表明，最佳的Ni(OH)2负载量为0.4mg cm-2，此时，Ni Foam@Ni(OH)2复合材料的比电容高达2410.6Fg-1(10Ag-1)，且在200Ag-1的超高电流密度下仍能给出1911.7Fg-1的比电容，经过50000次循环充放电后的比电容保持了其最大比电容的98.6％(100Ag-1)，表明该复合材料具有高比电容，倍率性能良好和循环寿命长的优点。 (2)为了改进络合沉淀法的原料利用率低、氢氧化镍分布不均，易脱落的缺点，采用原位生长法合成Ni Foam@Ni(OH)2复合材料，该材料的比电容高达2422.1F g-1(10A g-1)，并且该复合材料的倍率性能和循环稳定性十分优越，在200A g-1的超大电流下仍然能够给出2301.4Fg-1的高比电容，经过100000次恒流充放电后的容量保持了初始容量的97.2％(100A g-1)。而且该样品具有良好的可弯曲性能，经过100次弯曲，其容量保持率为93.6％。 (3)为了进一步提高材料的比电容，采用双络合沉淀的方法向Ni(OH)2主体中掺入其它的金属离子（以M表示），以制备出具有良好的电化学性能，且具有稳定的α-Ni(OH)2结构的镍基双氢氧化合物。SEM，XRD和电化学测试表明，掺杂Mn，Al和In元素的镍基双氢氧化合物具有稳定的α-Ni(OH)2结构，但由于NiIn-LDHs的结构为实心球形，不利于电解质的扩散和离子的传输，导致NiIn-LDHs的比电容低于纯氢氧化镍。而Ni-Mn双氢氧化合物和NiAl-LDHs则由于其具有优越的纳米片状堆积的3D球形结构，使得其电化学性能优于纯Ni(OH)2，为了得到性能更加优异的Ni基双氢氧化合物，下面对Ni-Mn双氢氧化合物和NiAl-LDHs的合成条件进一步优化。 (4)通过可控络合沉淀结晶的方法合成Ni-Mn双氢氧化合物材料，SEM和XRD表明该材料可以形成纳米片堆积而成的3D球形结构的α-Ni(OH)2。电化学测试表明，该Ni-Mn双氢氧化合物材料的最佳Mn含量为10％，此时的样品的比电容可达2735.8Fg-1(1Ag-1)，且具有良好的倍率性能，即在100Ag-1的电流密度下，比电容高达1146.2Fg-1，该材料经过10000次充放电循环，容量保持率为95.6％(10A g-1)。 (5)采用一种双络合-沉淀的方法制备了NiAl-LDHs，SEM和XRD表明该材料是一种三维纳米片状堆积而成的球形结构的α-Ni(OH)2。本文采用XRD与XPS对不同充放电状态下的样品进行测试，验证了α-Ni(OH)2与γ-NiOOH之间的转化反应是一个稳定可逆的过程。通过电化学和XRD测试可以看出Al的最佳含量为18％，此时，样品的比电容可达2761.2Fg-1(1A g-1)远远高于纯的Ni(OH)2，并且该NiAl-LDHs具有大倍率充放电性能和优良的循环稳定性，该NiAl-LDHs在20Ag-1的超大电流下仍然能够给出高达2216.8F g-1的比电容，且经过5000次充放电后的比电容保持了初始容量的97.75％(10Ag-1)。 (6)采用原位生长法制备了Ni Foam@NiAl-LDHs复合材料，用于提高NiAl-LDHs材料的电化学性能，SEM和XRD表明该材料是在泡沫镍的表面均匀的制备了具有稳定的α-Ni(OH)2结构的NiAl-LDHs纳米片阵列。电化学测试表明，该复合材料具有高达较高的比电容(10Ag-1时，3088.8Fg-1)，且该复合物倍率性能良好，在200Ag-1的超大电流下，比电容高达2768.9Fg-1，且经过70000次恒流充放电后容量保持率为98.2％(100Ag-1)，说明该材料具有优异的循环性能。
赝电容材料;氢氧化镍;络合沉淀;电化学性能
北京化工大学
博士
化学工程与技术
刘建军
2019
中文
TM24;TM205.1
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）