【摘 要】
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镍基复合物,由于具有高的容量、优异的导电率和粗糙度,是作为超级电容器电极材料优良的候选者之一。而元素锌本身不具有氧化还原特性,但可以与元素镍形成协同效应。同时,利用
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镍基复合物,由于具有高的容量、优异的导电率和粗糙度,是作为超级电容器电极材料优良的候选者之一。而元素锌本身不具有氧化还原特性,但可以与元素镍形成协同效应。同时,利用金属阳离子与不同阴离子的优势互补,可以优化性能。但是传统的过渡族金属氧化物或者氢氧化物都具有一个明显的缺点就是导电性偏低,为此,我们设计了两种不同的思路去解决这个问题。本论文主要对镍锌基纳米复合材料的合成及其在超级电容器(SC)方面做了研究和改善。通过调控材料的形貌,优化导电性,从而得到优异的比电容和倍率性能以及耐久性。研究内容主要如下:1.采用简单的两步水热法制备了均匀分布的的掺硫的碱式碳酸镍锌(NZSC-4)纳米粒子,使碱式碳酸镍锌(NZC)前驱体得到高度分散,然后进行硫化,提高了导电性。同时,其比表面积高达226 m2 g-1,产生大量的氧化还原位点,可有效减少充放电过程中的体积变化。作为正极材料,NZSC-4在1 A g-1时表现出1634 F g-1的高电容值和优异的倍率性能(在20 A g-1时73%的倍率保持率)。此外,以NZSC-4为正极,活性炭(AC)为负极,组装全固态不对称超级电容器(ASC)。ASC在0.85 kW kg-1的功率密度下,在0-1.7 V的高电压范围内表现出36.17 Wh kg-1的高能量密度,并具有较低的漏电流和自放电。两个完全充电的ASC(串联)可以有效地为白色发光二极管(LED,大于3 V的工作电压)供电,随后在白色灯泡消耗部分能量之后,仍然可以为黄色LED和红色LED供电。因此,作为赝电容材料的NZSC-4具有潜在的应用价值。2.碳点(CD)/磷酸盐复合物(NZP-10)通过预先制备的碳点与焦磷酸钠水热反应形成桑葚状的镍锌磷酸盐混合物。这种外观类似于零维的纳米粒子,通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察到CD主要位于材料的表面,这样的结构将使CD在制造成电极材料时充分接触电解质。鉴于不同浓度碳点掺杂的磷酸盐表现出不同的形貌,也展现在性能的各异,说明CD的浓度对于材料是十分敏感的。合成的桑葚状复合物NZP-10纳米材料在1 A g-1的电流密度下具有1885.7 F g-1高的比电容,并且在3000次循环之后仍然具有初始电容的98.7%,这主要是由于桑葚状的镍锌磷酸盐结构和CD的存在大大提高了材料的稳定性。NZP-10和AC分别作为非对称超级电容器的正极和负极,具有高的比电容(89.2 F g-1),高的能量密度33.7 Wh kg-1(当功率密度达到824.9 W kg-1)。综上所述,本文主要研究了镍锌基金属材料的合成以及电化学性能,通过掺硫或者CD调整形貌,获得更理想的结果。镍锌基金属材料表现出的电化学优势,使其成为潜在的新一代储能材料。
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