LDHs基柔性電極的構(gòu)筑及其超電容性能研究.pdf

1、電化學(xué)電容器（又稱(chēng)超級(jí)電容器）具有比容量大、功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和個(gè)人多媒體等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，柔性和可穿戴式微型器件在工業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。該類(lèi)器件的運(yùn)行需要特殊的驅(qū)動(dòng)裝置，它們的電源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備輕質(zhì)、柔性、體積小等特點(diǎn)。纖維狀超級(jí)電容器由于具備上述優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是柔性可穿戴設(shè)備的理想驅(qū)動(dòng)電源。利用各種碳基材料制備纖維狀超級(jí)電容器，是一種最常見(jiàn)的途徑。但是，由于碳材料固有的

2、雙電層儲(chǔ)能機(jī)制，導(dǎo)致碳基纖維狀超級(jí)電容器的容量非常低。此外，另一個(gè)限制其超級(jí)電容性能的原因是電極與電解質(zhì)的接觸面積有限，只有纖維外表面可以與電解質(zhì)接觸，導(dǎo)致電解質(zhì)離子很難傳輸?shù)诫姌O的內(nèi)部。為了解決上述問(wèn)題，在具有良好導(dǎo)電性的纖維狀基底上生長(zhǎng)具有贗電容性質(zhì)的材料，獲得雜化電極材料，有望提高電極的超電容性能。含過(guò)渡金屬的層狀雙金屬氫氧化物(LDH)是一類(lèi)重要的贗電容材料，具有電化學(xué)活性高、循環(huán)穩(wěn)定性好、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。本論文分別以石墨烯中空

3、纖維及Ni金屬線作為集流器，在其表面制備了CoNi-LDH及NiO@CoNi-LDH陣列，通過(guò)對(duì)其組成和結(jié)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)了超電容性能強(qiáng)化，進(jìn)一步構(gòu)筑了微型超電容器件，表現(xiàn)出較高的能量密度及循環(huán)穩(wěn)定性。具體研究工作如下:
　　(1)RGO@CoNi-LDH中空纖維柔性電極的制備及其超電容性能研究
　　首先通過(guò)熱還原法制備了管壁由層狀堆疊石墨烯(RGO)構(gòu)成的中空纖維，再利用電沉積法在RGO中空纖維內(nèi)外表面垂直生長(zhǎng)CoNi-LD

4、H納米片陣列（片層大小～500nm，片層厚度～10nm）。得到的RGO@CoNi-LDH中空纖維電極表現(xiàn)出高達(dá)570mF cm-2的比容量（電流密度為0.25mA cm-2），并且恒電流充放電2000次后仍有95.3％的容量保留比（電流密度為1mA cm-2）。此優(yōu)異的電化學(xué)性能可歸因于雜化電極的多孔核殼結(jié)構(gòu)、RGO高的導(dǎo)電性以及CoNi-LDH的贗電容性能?；诶w維優(yōu)良的力學(xué)性能和耐彎曲性能，可將RGO@CoNi-LDH纖維狀電極植入

5、可穿戴織物里面。進(jìn)一步把RGO@CoNi-LDH和制備的活性炭負(fù)極進(jìn)行組裝，制備了RGO@CoNi-LDH//RGO@AC微型超級(jí)電容器，表現(xiàn)出超高的能量密度（0.525mW cm-2）和功率密度輸出（8.89μWh cm-2），該數(shù)值優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的其它纖維狀超級(jí)電容器，在柔性和可穿戴器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)Ni/NiO@LDH纖維狀柔性電極的制備及其超電容性能研究
　　通過(guò)內(nèi)源刻蝕法和電化學(xué)電沉積法，在

6、Ni金屬線（直徑0.3mm）表面制備了以多孔NiO納米帶(寬度0.5-1μm，長(zhǎng)度6-8μm，厚度～20nm)為核，以CoNi-LDH納米片(片層大小80-100nm，厚度～10nm)陣列為殼的Ni/NiO@LDH雜化電極。此Ni/NiO@LDH電極表現(xiàn)出高比電容(1.63F cm-2)、優(yōu)良倍率性能（當(dāng)電流密度從2.5A cm-2增加到20A cm-2時(shí)容量保留比為90.7％）、高庫(kù)倫效率(～100％)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(1000次充

7、放電仍有97.6％的保留比)。將Ni/NiO@LDH電極與活性炭負(fù)極組裝成纖維狀超級(jí)電容器，表現(xiàn)出超高的能量密度和功率密度輸出，當(dāng)功率密度從150mW cm-3增加到900mW cm-3時(shí)，器件的能量密度僅僅從6.98mWh cm-3降到了6.0mWh cm-3。與前人文獻(xiàn)對(duì)照，本工作得到的微型超電容的功率與能量密度處于較優(yōu)的水平。與第一部分工作制備的RGO@CoNi-LDH電極材料相比，Ni/NiO@LDH電極具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能（