储能作为能源系统中非常重要的一个环节,随着政府一系列政策的出台,其市场需求也在不断扩大。其中,电化学储能是发展最为迅速的一种储能技术,正不断被开发并推广。相比锂电池、铅蓄电池等传统的电化学储能装置,超级电容器是一种新型的环保储能装置。因为存储原理的不同,它比一般电池具有更高的功率密度和更好的循环性能。但是与其他储能器件相比,它的能量密度偏低,所以限制了其应用。为了提高能量密度,人们需要寻找合适的电极材料。过渡金属的氧化物半导体材料因为具有制备过程简单、价格相对较低、材料结构稳定、比电容较高等优点引起人们广泛关注。在这些过渡金属中,钴基金属氧化物有着极高的理论容量,非常适合做电极材料。但由于钴基氧化物半导体材料自身导电性能相对较差,电容器的倍率性能也受到限制。就如何优化其性能,通过实验进行了研究。一、基于钴的MOF纳米片材料的合成和转化。以金属有机框架(MOF)为模板进行转化是合成金属氧化物纳米多孔材料的一种常用方法。在这个部分我们以泡沫镍、钛片等为基底,利用2-甲基咪唑(2-MI)与六水合硝酸钴在水溶液中的离化和配位,在常温常压下合成三角形的钴基MOF(Co-MOF)纳米片。这种Co-MOF材料直接在基底表面生长,不需要涂膜,避免了粘结剂堵塞活性位点。之后采用离子交换法对Co-MOF前驱体进行转化,通过改变反应条件,得到不但能维持Co-MOF前驱体纳米壁结构、而且由三角形纳米壁转换为超薄纳米片组成的二级镂空纳米片结构的纳米材料。再进行退火得到在基底上生长的二级镂空Co304纳米片。将纳米材料作为电极进行电化学性能测试,测得在1 Ag-1时比容量为797.5 Fg-1。电流密度提高到16 Ag-1时比容量仍然可以达到716.8 Fg-1,几乎是1 Ag-1时的90%。在8 Ag-1的电流下循环5000圈后,比容量仍可达到初始时的80%左右。二、锌钴双金属化合物纳米片的合成和转化。在不添加表面活性剂、不使用模板的情况下,以泡沫镍为基底,用水热法设计出新型的具有超薄纳米片阵列结构的Zn-Co前驱,再通过退火得到多孔钴锌双金属氧化物纳米片。在这个过程中,一方面,双金属氧化物材料的导电性能显著提高,超级电容器的倍率性能和循环性能得到进一步优化;另一方面,这种新型的多孔纳米结构具有极大的比表面积,从而有更多的活性位点,有利于更加快速的充放电。其中的孔洞结构可以保证电解液的有效传输,使电极能更加充分地与电解液接触。同时对Zn-Co前驱直接进行硫化对材料的影响作了研究。实验表明,在硫化过程中,材料保持前驱体片状结构的同时,在原来纳米片上又形成了新的超薄纳米片,比表面积进一步增大。同时硫化后导电性也进一步提高。电化学测试表明,硫化后材料的比电容比直接退火时提高了 70%,在1 Ag-1时达到1900 Fg-1,循环5000次后仍然保持90%左右,有着超大容量和良好的循环稳定性。最后,将硫化后的材料与活性炭材料分别作为超级电容器的两个电极,组装成全电容。经过测试,得到电容在1 Ag-1时的比容量为191.7Fg-1,循环5000圈后仍能达到82%。