超级电容器电极材料的制备

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随着人口的不断增长和工业的迅猛发展,人类对电能的需求也急剧增加,电能逐渐成为能源的主要消耗方式。但与此同时,化石能源逐渐枯竭,我们需从水能、太阳能、风能、潮汐能等其它能源中转换电能,太阳能、风能、潮汐能等可再生能源属于微电源,其容量为几十千瓦到几十兆瓦。这些可再生能源本身具有很多缺点,例如风能和潮汐能不稳定、太阳能昼夜不均等,这样在供电过程中会出现不稳定和不连续等问题,直接影响到供电质量,出现电压突变和电源中断等现象。因此为保证可靠的供电质量,需配备配套的储能系统。  典型的储能装置有蓄电池和超级电容器。超级电容器是一种新型储能装置,与蓄电池相比,超级电容器具有很多优点,如功率密度大、放电电压高、自放电低、无记忆效应、循环寿命长、环境友好等,受到国内外学者的广泛关注。电极材料是超级电容器储能系统的核心,它直接决定了超级电容器储能性能的好坏。对于电极材料本身来说,其微观形貌、结构、导电性、比表面积、电位窗口等都对其性能的发挥起着重要作用。本文旨在从不同角度对电极材料进行优化研究,寻找新的、性能优良的电极材料,并组装非对称型超级电容器。具体的研究内容如下:  1.采用一步水热法成功制备出Ni(OH)2/AC-Ni复合电极。以泡沫镍网为基底,其三维多孔结构为活性材料的生长提供了足够的空间。Ni(OH)2/AC-Ni的结构和形貌由SEM、XRD、Raman、FT-IR和EDS表征,并采用传统的三电极测试系统对其进行电化学性能测试。测试结果显示,①Ni(OH)2/AC-Ni复合电极为三维多孔状,活性炭被Ni(OH)2纳米片包裹起来,两者为物理混合,未产生新的物质。②经电化学性能测试发现 Ni(OH)2/AC-Ni复合电极的面积比电容最高可达1.75 F/cm2(电流密度为0.6 mA/cm2)。当电流密度高达16 mA/cm2时,比电容仍有0.65 F/cm2,显示出其优异的电化学性能。在相同电流密下进行循环充放电测试,1000次循环后 Ni(OH)2/AC-Ni复合电极电容保持率为80%左右而 Ni(OH)2-Ni电极仅有62.3%,充分体现了活性炭在复合电极中的作用。  2.两步法制取Ni-Fe LDH。首先以泡沫镍网为基底,FeCl2、Ni(NO)3为铁源和镍源、乙二醇和去离子水的混合溶液为溶剂、尿素为沉淀剂,采用水热合成法得到了Ni-Fe LDH,接着用硫脲溶液(溶剂为乙二醇)对其进行硫化改性。Ni-Fe LDH的面积比电容和循环性能都不理想,而硫化后改性后的 Ni-Fe LDH电极形貌保持不变,比电容提高了近20倍,电流密度为0.73 mA/cm2时,面积比电容高达0.944 F/cm2,表明硫脲改性对Ni-Fe LDH的具有积极的影响。  3.将本文中获得的电极分别作为正负极组装非对称型超级电容器。以Ni(OH)2/AC-Ni正极、硫化改性后的Ni-Fe LDH为负极的非对称超级电容器,电位窗口为正负极电位窗口的综合即0 V-1.75 V。经电化学性能测试结果显示,非对称超级电容器具有电化学性能,面积比电容为0.217 F/cm2(电流密度为0.66 mA/cm2),证明此种组装形式可行。
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