基于納米結(jié)構(gòu)的非對稱超級電容器的研究.pdf

1、超級電容器，又稱為電化學(xué)電容器，因其比電池具有更高的功率密度，同時，比傳統(tǒng)介質(zhì)電容器具有更高的能量密度，而備受關(guān)注。然而，與電池相比，超級電容器的能量密度往往偏低（通?！?0Wh/kg），這很大程度上限制了它的應(yīng)用。因此，在保證高的功率密度和長的循環(huán)壽命條件下，開發(fā)更高能量密度的超級電容器是非常有必要的。而非對稱超級電容器是由一個電池型法拉第電極作為能量源和一個電容電極作為功率源組成的，很好地結(jié)合了兩電極不同的窗口電壓，擴(kuò)大了非對稱超級

2、電容器工作電壓，從而顯著地提高能量密度。因此，開發(fā)非對稱超級電容器，被認(rèn)為是一種提高能量密度有效的方法。另一方面，核殼異質(zhì)納米材料因其具有較大電化學(xué)活性表面積和更短電子運(yùn)輸途徑，在超級電容領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。因此，本文設(shè)計(jì)和制備了核殼異質(zhì)納米材料電極，在此基礎(chǔ)上，組裝了非對稱超級電容器，圍繞非對稱超級電容器開展了一系列的研究。
　　首先，本文采用多孔泡沫鎳為基底，通過水熱法制備超薄Ni(OH)2納米壁。通過SEM形貌表征，循環(huán)伏安

3、法和恒流充放電等電化學(xué)性能測試，考察了反應(yīng)溫度和時間對超薄Ni(OH)2納米壁結(jié)構(gòu)及其電容特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著反應(yīng)時間的增加，Ni(OH)2結(jié)構(gòu)形貌基本不變，沉積的活性物質(zhì)質(zhì)量增加。當(dāng)反應(yīng)時間為10h，溫度為100℃時，電流密度為2Ag-1，Ni(OH)2納米壁的比電容可達(dá)1624Fg-1;當(dāng)反應(yīng)溫度升高到180℃后，Ni(OH)2不再是納米壁，而是200nm左右的納米顆粒，其比電容顯著下降(240Fg-1)，與反應(yīng)時間相比，

4、反應(yīng)溫度對其形貌和性能的影響更為顯著。
　　其次，在多孔泡沫鎳基底上通過水熱法直接生長Co3O4納米線陣列，為了提高Co3O4納米線的電化學(xué)活性和導(dǎo)電性，在氫氣的氛圍中，對Co3O4納米線進(jìn)行退火，氫化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氫氣的流量為7.5sccm時，獲得了多孔的氫化CoOx（記為H-CoOx）納米線，與原來的Co3O4納米線相比，H-CoOx納米線電極的比電容明顯提高，為原來的2倍（816Fg-1，掃描速度為10mVs-1），

5、其等效串聯(lián)內(nèi)阻僅為0.48Ω，導(dǎo)電性得到改善。隨后，H-CoOx作為納米核殼結(jié)構(gòu)的支撐骨架，通過水熱反應(yīng)與超薄Ni(OH)2復(fù)合，得到H-CoOx@Ni(OH)2核殼異質(zhì)納米材料，通過電化學(xué)測試，在電流密度為2Ag-1時，復(fù)合電極獲得2196Fg-1的高比電容，經(jīng)2000次充放電循環(huán)測試后，其比電容仍然保留初始的94％，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。
　　在負(fù)電極方面，用FeCl3、FeCl2和氧化石墨烯為原料，通過溶劑熱合成法將Fe3O

6、4納米顆粒附著在還原氧化石墨烯(RGO)納米片上，來制備復(fù)合納米材料（記為“RGO@Fe3O4”）。經(jīng)SEM形貌表征和電化學(xué)性能測試比較，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果:在1Ag-1電流密度下，RGO@Fe3O4電極獲得了316Fg-1的比電容，與傳統(tǒng)炭電極（在水系電解質(zhì)中，比電容為200Fg-1左右）相比，該結(jié)果有了可觀的改善。
　　最后，以H-CoOx@Ni(OH)2核-殼納米線為正極，以RGO@Fe3O4復(fù)合納米材料為負(fù)極，組裝成非對稱超級

7、電容器，并通過循環(huán)伏安法、交流阻抗分析、恒流充放電等測試研究其電化學(xué)性能。結(jié)果表明，H-CoOx@Ni(OH)2//RGO@Fe3O4非對稱超級電容器能獲得高能量密度，當(dāng)功率密度為1010Wkg-1，能量密度為45.3Whkg-1;當(dāng)功率密度為7080Wkg-1，仍然具有23.4Whkg-1的能量密度;5000次充放電測試后，能夠保留91.8％的初始電容。最終，進(jìn)行了器件的演示，此電容器僅需1分鐘完成一次充電，能驅(qū)動小風(fēng)車(0.8V，0