碳基復(fù)合物超級(jí)電容器電極材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、當(dāng)今世界化石燃料劇烈消耗，導(dǎo)致由于化石燃料燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，科學(xué)家們不斷尋求一種可再生的清潔能源作為替代品來(lái)滿足未來(lái)人類社會(huì)的發(fā)展需要。而能量存儲(chǔ)作為一種清潔又有效的中間手段不斷引起人們的廣泛關(guān)注。目前常見(jiàn)的能量存儲(chǔ)設(shè)備有電池和超級(jí)電容器。超級(jí)電容器(SC)也叫電化學(xué)電容器相比于普通電容器具有更高的能量密度，比電池更高的功率密度，并且循環(huán)壽命長(zhǎng)，使用方便、安全。近年來(lái)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前超級(jí)電容器的電極材料主要有

2、碳系材料、過(guò)渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。電極材料作為決定超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵因素之一，受到了廣大研究者的關(guān)注。
　　采用一種簡(jiǎn)單的溶劑熱法制備了鎳鋁水滑石/多壁碳納米管/石墨烯（LDH/CNT/GNS）三元納米復(fù)合電極材料。通過(guò)結(jié)構(gòu)和形貌表征可以看出水滑石和碳納米管復(fù)合形成花狀的LDH/CNT顆粒包裹在GNS納米片層表面，形成3D結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極材料。材料的各個(gè)組分均維持在納米級(jí)，形成具有分等級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。電化學(xué)測(cè)試表明LDH/C

3、NT/GNS復(fù)合電極擁有超高的比電容、優(yōu)異的倍率特性和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。在1 mA/cm2放電電流密度下，最大比容量可以達(dá)到1869 F/g，最大功率密度為149.5 Wh/kg，500次循環(huán)后的容量衰減為1.5％。LDH/CNT/GNS電極電化學(xué)性能的全面提高主要是歸因于：復(fù)合物中的碳材料產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，降低了復(fù)合物的等效電荷轉(zhuǎn)移電阻，有利于電荷的有效轉(zhuǎn)移；復(fù)合物中相互交錯(cuò)連接的水滑石片會(huì)產(chǎn)生大量的介孔或大孔結(jié)構(gòu)，有利于電解液在電極材料

4、中的擴(kuò)散并縮短離子的傳遞距離；具有高比表面積和開(kāi)放多孔結(jié)構(gòu)的LDH/CNT/GNS納米復(fù)合物能夠有效地阻止每種組分間的團(tuán)聚，提高材料的利用率。
　　通過(guò)一步水熱法制備CNT/Fe3O4復(fù)合超級(jí)電容器電極材料。并對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、微觀形貌，以及電化學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明：與單純Fe3O4的大塊納米立方體粒子組成的團(tuán)聚體相比，復(fù)合物表現(xiàn)為Fe3O4納米粒子吸附在碳納米管管壁上組成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形貌。兩種組分協(xié)同作用，使得這種二元納米

5、復(fù)合物具有較大的比容量、優(yōu)異的倍率特性和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。得到的復(fù)合產(chǎn)物在10 mA/cm2電流密度下表現(xiàn)出的電容為119 F/g，經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后比容量仍為初始容量的97.5%，循環(huán)壽命優(yōu)異，是一種很有前景的超級(jí)電容電極材料。
　　GNS/SnO2復(fù)合電極材料是由氯化亞錫還原半還原態(tài)的氧化石墨（SRGO）制備的，首先使用葡萄糖對(duì)氧化石墨（GO）進(jìn)行預(yù)還原得到SRGO，使得SRGO保持較好的水溶性及較多的含氧官能團(tuán)。接下來(lái)的水熱

6、過(guò)程中Sn2+吸附在含氧官能團(tuán)上并原位形成SnO2。隨后用SEM和TEM測(cè)試結(jié)果表明，在GNS/SnO2復(fù)合物中，直徑在10~20 nm左右的SnO2納米顆粒均勻的生長(zhǎng)在石墨烯的表面。此外復(fù)合物表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：在5 mA/cm2時(shí)比容量高達(dá)368 F/g，最大能量密度為184 Wh/kg，經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后比容量保留95%。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果不僅說(shuō)明GNS/SnO2為一種優(yōu)異的超級(jí)電容器電極材料，而且實(shí)驗(yàn)思路提供了一種解決石墨烯片團(tuán)聚