基于碳布的复合材料制备及其电化学性能研究

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随着社会的发展,能源短缺问题和环境污染问题越来越严峻,开发出具有高性能的新型储能器件势在必行。同时,当今市场的电子产品不断向轻量化,便携化方向发展,因此轻便的柔性储能器件的研发也备受关注。超级电容器作为一种重要的储能电化学装置,具有充放电率高、循环稳定性好、使用寿命长等优点,成为了极具潜力的下一代储能器件。而目前的超级电容器一般具有能量密度低,导电性差,电极材料昂贵等缺点,为了从根本上解决和完善这些问题,需要从储能器件的电极材料着手。本文的研究是利用碳布(CC)导电性高、柔韧性好的特点,以其作为基底并原位生长所需的纳米材料,从而得到高性能的柔性电极,并对电极进行成分形貌表征和电化学性能分析。本文选择了三种电极材料与碳布基底进行复合,分别为具有高比容量的镍铝水滑石(NiAl-LDH)电极材料,高倍率特性的钴铝水滑石(CoAl-LDH)电极材料和价格低廉的二氧化锰(MnO2)电极材料。主要研究成果如下:1.NiAl-LDH/CC电极的制备及其电化学性能研究。以碳布为基底合成了褶皱状的NiAl-LDH电极材料,并对所制备的电极进行了结构表征和分析。通过与无碳布支撑的NiAl-LDH电极进行对比实验,表明所制备的NiAl-LDH/CC复合电极具有更加优秀的电化学性能,首先在1A/g的电流密度下,其比容量达到1540F/g,而在8 A/g的大电流测试下,其比容量为1A/g下的84.98%,说明了其具备较好的倍率性能。通过电化学交流阻抗测试,展示出其较低的接触阻抗(1.2Ω)和电荷传输阻抗(1.5Ω)同时还具有更快的离子传输速率。最后在1A/g的电流密度下,经过1000圈的恒流充放电测试,其测试后性能为初始性能的60%,循环性能的不太理想主要是由镍基电极材料经过循环充放电后的膨胀导致的。2.CoAl-LDH/CC电极的制备及其电化学性能研究。由于所制备的NiAl-LDH/CC电极的倍率性能和循环性能都不够理想,为了得到具有高倍率性能和循环性能的超级电容器,合成了纳米片状的CoAl-LDH电极材料,并对其进行了结构表征和分析。研究表明,所制备的CoAl-LDH/CC电极在20mV/s的高扫速下,其伏安特性曲线仍然保持良好的对称性。同时该电极在1 A/g的电流密度下比容量为544F/g,而在16A/g的大电流下其仍然具有448F/g的比容量,说明了其优秀的倍率性能。而通过电化学阻抗测试的出其具有极低的接触阻抗(Rs约为0.51Ω)。最后,在2A/g的电流密度的循环充放电测试中,CoAl-LDH/CC电极经过2000圈测试后性能为初始性能的83.56%,这表明了本章中所制备的电极具有极好的循环特性。3.MnO2/CC电极的制备及其电化学性能研究。低成本的超级电容器一直都是当今市场所期待的,因此在此次研究中利用碳布作为碳源原位生长二氧化锰,并研究了反应温度对其生长的影响。实验结果表明,60℃下反应进行不完全,产物极少,没有实际应用价值;120℃下反应过度,导致二氧化锰过厚电极导电性极差,综合比较90℃为最佳反应温度,在此条件下所制备的MnO2/CC电极在0.5A/g的电流密度下具有249.3F/g的比容量。同时,所制备的电极经过1000圈的恒流充放电测试后,其性能为初始性能的69.07%。
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