不同形貌鎳鈷雙氫氧化物電極材料的可控合成及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級電容器因其優(yōu)秀的電化學(xué)儲能特性而受到追捧。在電容器組分中，電極材料是它的“心臟”，起主導(dǎo)作用。常見的電極材料為碳材料、導(dǎo)電聚合物和過渡金屬氧化物/氫氧化物，對比發(fā)現(xiàn)，過渡金屬氫氧化物或氧化物電極材料依靠法拉第反應(yīng)產(chǎn)生的電容量遠(yuǎn)高于碳基材料依靠吸脫附產(chǎn)生的電容量，且循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)異，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，因氫氧化鎳電極材料和氫氧化鈷電極材料有較高的理論比電容而受到廣泛關(guān)注，將二者進(jìn)行復(fù)合得到的鎳鈷雙氫氧化物電極材料更是近幾

2、年研究的焦點(diǎn)，而通過調(diào)控鈷鎳的摩爾比得到不同形貌鎳鈷雙氫氧化物電極材料的研究相對較少。因此，本論文采用化學(xué)共沉淀法制備氫氧化鎳電極材料、氫氧化鈷電極材料，并通過調(diào)控鈷鎳摩爾比制備鎳鈷雙氫氧化物復(fù)合材料，研究其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。具體研究內(nèi)容如下：
　　本文首先組裝回流裝置，并采用化學(xué)共沉淀法以Co(NO3)2·6H2O和 Ni(NO3)2·6H2O分別作為鈷源和鎳源，尿素作為沉淀劑，通過一系列反應(yīng)制備出了Co(OH)2和α-Ni(O

3、H)2材料。通過XRD、SEM、TEM對二者結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)二者的微觀形貌和結(jié)構(gòu)存在很大的差異，其中Co(OH)2為大片狀，且表面平整，有很多小孔結(jié)構(gòu)，片層較厚，未出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象；而α-Ni(OH)2為絲綢狀納米片，且表面有褶皺，未出現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)，片層很薄，相互堆疊形成三維結(jié)構(gòu)。這些差異將對二者的電化學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。電化學(xué)測試分析發(fā)現(xiàn)，與Co(OH)2電極材料相比，α-Ni(OH)2電極的電荷轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散速度較快，在電流密度為1 A

4、/g時(shí)α-Ni(OH)2電極比電容為1562.5 F/g是Co(OH)2電極材料的11倍，但電流密度從1 A/g增大到8 A/g時(shí)，α-Ni(OH)2電極材料比電容保持率僅為58.6％，而Co(OH)2電極材料比電容保持率為67%，說明在堿性電解液中進(jìn)行充放電，Co(OH)2電極材料穩(wěn)定性優(yōu)于α-Ni(OH)2電極材料。因此，為了得到電化學(xué)性能優(yōu)良的電極材料，將二者進(jìn)行復(fù)合。
　　在保持總摩爾比不變的情況下，通過調(diào)控鈷鎳摩爾比制備

5、出了具有不同形貌的3D鎳鈷雙氫氧化物復(fù)合材料，且隨著鎳含量的增加，所得復(fù)合材料的形貌由納米棒狀和納米線狀進(jìn)化到納米線狀最后到絲綢納米片狀。通過 XRD、SEM、TEM、XPS、BET對所有鎳鈷雙氫氧化物復(fù)合材料進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn) Co2+:Ni2+=1:4時(shí)所得到的產(chǎn)物為NiCo-LDH，有著特殊層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在大量電化學(xué)活性位點(diǎn)，是一種很好的超級電容器材料。電化學(xué)測試分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Co2+:Ni2+=1:1、1:2、1:3、1:4時(shí)在電流

6、密度為1 A/g條件下測得比容量分別為436.3 F/g、1396.3 F/g、1512.5 F/g、1783.8 F/g，且所有復(fù)合物的比容量都高于單純的Co(OH)2和α-Ni(OH)2電極材料，與其它文獻(xiàn)相比該復(fù)合材料有較寬的工作電壓窗口（0~0.8 V），也因此獲得更高的能量密度。與其它鎳鈷雙氫氧化物電極材料相比，NiCo-LDH電極電荷轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散速度較快，在電流密度為1 A/g時(shí)測得NiCo-LDH電極比電容最高為1783

7、.8 F/g，在電流密度為10 A/g時(shí)進(jìn)行恒電流充放電1000次后得到的電容保留率為84%，說明NiCo-LDH電極材料有相對穩(wěn)定的循環(huán)特性。但是它的比表面積最小為20.3 m2/g，說明比表面積大小并不是判斷比電容大小的唯一依據(jù)，電極材料電化學(xué)性能由很多因素決定如結(jié)構(gòu)、形貌等。
　　以NiCo-LDH材料作正極，活性炭（AC）作負(fù)極，水系多孔聚丙烯膜作隔膜，6 M KOH作電解液，組裝成簡易NiCo-LDH//AC非對稱型超級