论文部分内容阅读
超级电容器是一种介于传统介电电容器和电池之间的新型储能装置,因其高功率密度、长循环寿命和安全性好等优点广泛应用于各个领域。氢氧化镍具有高的理论比容量、价格低廉、无污染等优点,是一种十分有前景的超级电容器电极活性材料。本文通过共沉淀法制备Ni(OH)2,并对其掺杂不同的金属离子,最后再将之与碳材料进行复合,得到电化学性能优良的电极材料。利用XRD、SEM、TEM、FTIR、BET和XPS等表征方法对电极材料进行微观结构表征和形貌分析,并利用恒流充放电(CP),循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等电化学测量方法测试其电化学性能,深入地研究了电极材料的微观结构与电化学性能之间的内在联系。首先,采用共沉淀法制备纯Ni(OH)2,详细研究了制备工艺,如体系pH值、氨水滴加速度和反应时间等对其晶型结构与微观形貌的影响。研究结果发现,最初随着pH值的增大,Ni(OH)2的微观结构从球形逐渐向片层过渡,而当pH值大于等于9.5时,片层结构不再容易形成;氨水滴加速度主要通过影响Ni(OH)2的结晶速度而影响片层的直径大小,随着氨水滴加速度的减小,颗粒的尺寸逐渐变大;随着反应时间的增长,Ni(OH)2由较小的片层逐渐堆积形成较大的乱层结构的Ni(OH)2,通过控制适宜的工艺参数可以制备混乱堆积的片层Ni(OH)2,这种独特的二维片层堆积结构由于有利于电解液离子的快速传输而具有良好的电化学性能。采用金属离子La3+、Al3+和Co2+对Ni(OH)2进行了化学掺杂。详细地研究了掺杂离子的种类以及数量对Ni(OH)2微观结构及电化学性能的影响。研究结果表明纯Ni(OH)2掺杂1%的La3+后,晶格的层间距变大,这种变化能加快离子的运输和质子扩散,减小电化学反应阻抗,增大比容量,但随着La3+掺杂量的不断增加,因晶格内部电荷分布不平衡而导致比容量有所降低;Co2+掺杂Ni(OH)2后,提高了电子在其内部的转移速度,进一步改善了 Ni(OH)2导电性差的缺点,比容量也得到了一定的提高;值得注意的是,Al3+掺杂Ni(OH)2后,Ni(OH)2的晶型结构由β型变为α型,α-Ni(OH)2由于其较大的层间距,电荷转移电阻较小,有利于氧化还原反应的发生;Al-Co对Ni(OH)2进行共掺杂时起到了协同作用,既增大了 Ni(OH)2晶格的层间距又提高了其电子的导电性,所以可以显著改善其电化学性能。最后,将Al-Co共掺杂的Ni(OH)2分别负载不同比例的导电炭材料(CNTs和GNS),以提高Ni(OH)2的导电性,进而提高其电化学容量及大电流下的倍率特性。详细地研究了炭材料的种类及含量对掺杂Ni(OH)2的微观结构及电化学性能的影响。研究结果表明,适量的CNTs和GNS加入后都可以在材料内部构建导电网络,从而使复合材料的倍率性能和比容量都显著提高,此外由于GNS不仅导电性好,还具有独特的二维片层结构,不仅可以提高材料的导电性,还可以可以促进掺杂Ni(OH)2在其表面的分散,提高其表面利用率,因此其作为导电碳载体,更有利于复合材料电化学性能的提高。