硫化镍复合材料的制备及超电容性能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zjp062
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超级电容器作为一种绿色的现代新型储能装置,在许多领域都有较好的发展潜力和市场价值。经过近几十年的发展,相比于蓄电池,超级电容器具备更高的功率密度、极稳定的循环充/放电性能、绿色无污染等众多优点,一直是储能研究方向的热点。而超级电容器的快速发展,很大程度上取决于电极材料的设计和研究。近年来,金属硫化合物较好的物理与电化学性能吸引了能源界的广泛关注,开始作为电极材料登上了超级电容器研究的舞台。金属硫化合物与传统的碳材料相比,其比电容更高;而与金属氧化物相比,硫化物不仅有很高的理论比电容,且价格低廉、合成简便,因而被认为是更具有实际应用的超级电容器电极材料。但单一组元的硫化物无法满足高性能储能器件的需求,大量的研究表明通过复合等方法可以极大的提高其电化学性能。本文将硫化镍(主要包括Ni3S2和NiS)与其他材料进行复合,复合材料特殊核壳结构的协同作用,大大提高了电极材料的电化学性能。与此同时,本文还探究了相关工艺参数对复合材料微观组织结构和电化学性能的影响。本文的主要研究内容如下:1、利用“一步”水热法在泡沫镍基底上制备了三维网状结构的Ni3S2。一方面,通过水热法在该三维Ni3S2上复合了MnO2,所制备的Ni3S2@MnO2复合材料表现出较好的电化学性能:在2 mA·cm-2的电流密度下,测得的比电容为1.465F·cm-2,这高于单相Ni3S2相同电流密度下0.786 F·cm-2的比电容;另一方面,探索了Ni3S2的活化性能。由于这种特殊的循环激活特性,当充/放电循环5000圈后,在2 mA·cm-2的电流密度下的比电容为6.244 F·cm-2,与未循环活化的Ni3S2样品相比,其比电容提高了965.1%,10000圈循环后比电容依然保持为5000圈时的89.75%。2、结合“两步”水热法和循环伏安电化学沉积法,在碳布(CF)基底上制备了多级分层NiCo2S4@Ni3S2复合材料。这种棒状核壳结构产生的协同效应大大提高了单相的电化学性能,在2 mA·cm-2的电流密度下比电容为5.714 F·cm-2,经过2000次循环充/放电后,其比电容保持为原始值的76%。本文同时通过可调控制备方法,探究了电化学沉积不同圈数Ni3S2,对NiCo2S4微观组织结构以及电化学性能的影响;当电化学沉积圈数为5圈时,Ni3S2的厚度适中且表现出较好的电化学性能。最后,将5-NiCo2S4@Ni3S2复合材料作为正极,Fe2O3-rGO作为负极组装了非对称超级电容器,在2 mA·cm-2的电流密度下,其能量密度可以达到0.59 mWh·cm-3,相应的功率密度为171 W·cm-3。3、利用“两步”水热法以碳布为基底制备了多级分层片状NiS,其比电容在1 A·g-1的电流密度下为1080 F·g-1,但其循环性能相对较差。因此,本文利用循环伏安电化学沉积的方法在其表面负载了一层片状CoS,制备了厚度可控的NiS@CoS复合材料。通过控制电化学沉积的圈数,可以达到优化其电化学性能的目的。所制备的复合材料因其更加立体的三维特殊结构,使得其在1 A·g-1的电流密度下,测得的比电容高达1210 F·g-1;在1000次循环充放电后,比电容保持为87.2%。最终,以较好形貌和性能的5-NiS@CoS复合材料,组装成NiS@CoS//球形AC(活性炭)全固态非对称超级电容器,在1 A·g-1的电流密度下,其能量密度高达24.1 Wh·kg-1,功率密度为752.15 W·kg-1,串联两个器件能够成功的点亮LED小灯泡。
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