鎳基水滑石材料納米陣列的構(gòu)筑及在電化學儲能方面的應(yīng)用.pdf

1、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(jīng)濟和社會產(chǎn)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(shè)備，以滿足各個領(lǐng)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(chǎn)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，近年來已成為堿性電池、超電容器等電極材料的研究熱點。然而，在

2、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(gòu)筑，實現(xiàn)高性能的電極具有廣泛的前景。電極材料的結(jié)構(gòu)對于器件儲能性能影響極大，因此應(yīng)進一步探索和優(yōu)化活性材料的結(jié)構(gòu)和形貌。針對以上問題，本文將論述述如下:
　　1、在溫和條

3、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(jié)構(gòu)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(yīng)用于超電容儲能電極研究在世界范圍內(nèi)屬于首次報道。通過測試結(jié)果表明，NiV-LDH納米陣列材料在1Ag-1的電流密度下比電容值可達到2420F g-1，而在20A g-1的大電流密度下，該陣列材料的比電容依然可

4、以達到1066F g-1，大電流下的倍率特性44.5％，另外在20Ag-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(yīng)用有很大意義。由于特殊的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yīng)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(jié)構(gòu)Co3O

5、4@NiV-LDH納米陣列材料，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)結(jié)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?shù)穆窂?。實驗測試結(jié)果顯示，該多層級結(jié)構(gòu)Co3O4@NiV-LDH殼核納米陣列材料，實現(xiàn)單位面積高載量（～11.1mg cm-2）、極高的面積比容量（1.98mAh cm-2在

6、5mA 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(yīng)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(jīng)過電化學測試，該電池可以展現(xiàn)出優(yōu)異的儲能特性，高工作電壓窗口(1.71V)、較高的能量密度（高達2.2mWh cm-2）和功率密度（高達82.0mW cm-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(jié)構(gòu)和材料間的協(xié)同效應(yīng)。