Co3O4基電極材料及其超電容性能研究.pdf

1、化石燃料的快速消耗以及生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化使得新型能源、節(jié)約型儲能裝置受到了研究者們越來越多的關(guān)注。超級電容器作為一種新型儲能器件，由于其功率密度高、循環(huán)使用壽命長、充電速度快以及工作溫度范圍廣等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通訊、計算機、軍用設(shè)備等領(lǐng)域。但是超級電容器的能量密度相比于二次電池還有較大的差距。因此，在保證其功率性能的同時提升其高能量密度是超級電容器應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵所在。相對而言，金屬氧化物電極材料具有一定的優(yōu)越性，尤其在能量密度

2、方面，金屬氧化物有望實現(xiàn)接近于二次電池的能量密度。在眾多金屬氧化物中，Co3O4由于其成本低、資源豐富、反應(yīng)活性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種有潛在應(yīng)用價值的贗電容型電極材料。集流體也是超級電容器電極的一部分，它會直接影響活性物質(zhì)的導(dǎo)電性，進(jìn)而改變電極材料的電化學(xué)性能。因此構(gòu)建一種比表面積大，且與基底之間無縫隙連接的一體化電極材料具有重要意義，而原位生長的方法能使Co3O4等金屬氧化物與基底之間形成無縫隙連接，有效地降低了接觸電阻。

3、　　本論文通過改變實驗條件，制備了不同的四氧化三鈷復(fù)合材料。不同的制備途徑使得電極材料具有不同的形貌或微結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)的不同使得它們儲存電荷的能力也有所差別。論文工作高度關(guān)注并深入討論四氧化三鈷微觀結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)特性性能之間的關(guān)系。簡言之，我們采用水熱法在泡沫鎳、碳纖維布以及石墨烯水凝膠等基底上生長Co3O4，獲得具有優(yōu)異性能的復(fù)合電極，然后把它們進(jìn)行器件組裝，設(shè)計成完整的超級電容器，并對其電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。主要內(nèi)容可以概括為：<

4、br>　　1.以泡沫鎳為導(dǎo)電基底，通過水熱法將Co3O4生長在泡沫鎳上，由Co3O4納米線構(gòu)筑了具有三維(3D)多孔籠狀結(jié)構(gòu)的電極材料(標(biāo)記為Co3O4/NF)。采用適宜的測試方法，如：X射線衍射(XRD)，傅里葉紅外光譜(FT-IR)，場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)，透射電鏡(TEM)對樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和組成進(jìn)行表征。與此同時，在三電極體系下，以3 M KOH溶液為電解液，在1 A g-1時，測得該電極材料的比電容為642 F g-1。

5、為了展現(xiàn)其實際的儲能性能，我們將該電極材料與石墨烯水凝膠(GH)組裝成非對稱型超級電容器，并在1.7 V的電位窗口下，對其進(jìn)行電化學(xué)測試。結(jié)果顯示，該電容器在功率密度為854 W kg-1時，表現(xiàn)出31 Wh kg-1的能量密度。
　　2.以碳布為集流體，采用水熱法及后續(xù)熱處理制備了針狀四氧化三鈷/碳布(Co3O4/CC)電極。結(jié)果顯示，Co3O4均勻地生長在碳布纖維的表面。實驗發(fā)現(xiàn)，在濃硫酸和硝酸的混合液中對碳布進(jìn)行親水處理，對

6、獲得性能優(yōu)良的電極材料至關(guān)重要。電化學(xué)測試結(jié)果表示，在電流密度為1 A g-1，電位窗口為0-0.6 V時， Co3O4/CC電極的比電容可達(dá)333 F g-1。此外，我們將該電極材料與還原氧化石墨烯(RGO)組裝成非對稱型超級電容器，在1.6 V的電壓下進(jìn)行電化學(xué)測試。結(jié)果表明，在功率密度為837 W kg-1時，該電容器表現(xiàn)出10 Wh kg-1的能量密度。
　　3.將氧化石墨分散液與氫氧化鈷溶液混合、分散，并通過水熱法制備出