【摘 要】
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近年来,随着各类柔性可穿戴智能电子产品的快速发展,对高性能的微型化储能器件提出更高的要求。其中,柔性超级电容器既具备传统电容器优异的电化学性能,又具有体积小、易编织等优势,被认为是未来柔性电源的一个重要选择。但是,柔性超级电容器偏低的能量密度严重制约了其实际应用。因此,在不牺牲电容器的功率密度的情况下,如何提高其能量密度成为最关键的问题。过渡金属氧化物是目前较热的研究对象,尤其是镍、钴基材料因具有
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近年来,随着各类柔性可穿戴智能电子产品的快速发展,对高性能的微型化储能器件提出更高的要求。其中,柔性超级电容器既具备传统电容器优异的电化学性能,又具有体积小、易编织等优势,被认为是未来柔性电源的一个重要选择。但是,柔性超级电容器偏低的能量密度严重制约了其实际应用。因此,在不牺牲电容器的功率密度的情况下,如何提高其能量密度成为最关键的问题。过渡金属氧化物是目前较热的研究对象,尤其是镍、钴基材料因具有较高的电导率和电化学活性受到广泛关注。同一主族中,硒元素的电导率远高于氧元素,这说明金属硒化物比氧化物具有更高的电子传输能力,有望成为更理想的电极材料。此外,镍钴双金属离子的协同效应也有助于电化学性能的进一步提升。因此,本文主要以钴(镍)基材料为研究对象,设计并制备了三类具有优良电化学性能的电极材料:Co3O4@Ni-Co-S、CoSe2@PPy和NiCo2Se4电极,并对它们在柔性非对称线状超级电容器中的应用展开了系统的探索与深入研究,主要研究内容如下:(1)基于Co3O4@Ni-Co-S复合电极材料构筑柔性非对称超级电容器及电化学性能研究。采用简单的水热反应法和电化学沉积法在柔性钛丝基底上合成具有特殊核壳结构的Co3O4@Ni-Co-S复合材料,并利用三电极测试系统对其电化学性能进行了初步的测试。实验结果证实这种核壳结构具有的协同效应有利于电极材料电容性能的大幅提升。进一步利用该复合电极优异的电化学性能,将其与FeSe2负极材料组装成Co3O4@Ni-Co-S//FeSe2柔性非对称超级电容器器件。该类固态超级电容器电压窗口为1.4 V,电容可达5.01 F cm-3,表现出优异的电化学稳定性。(2)基于CoSe2@PPy复合电极材料构筑柔性非对称超级电容器及电化学性能究。采用简单的硒化反应和电化学沉积法在柔性钛丝基底上合成三维CoSe2@PPy核壳纳米花材料。实验通过控制PPy反应时间探究纳米花的生长过程,并利用三电极测试系统对其电化学性能进行测试。实验结果证明包覆高导电性PPy的复合电极能够显著改善电荷转移的反应速度和离子传输路径,提高电化学性能。同时,以聚乙烯醇/氯化锂水凝胶为电解质,制备CoSe2@PPy//EACF柔性非对称超级电容器器件。该类柔性非对称超级电容器工作电压窗口为1.6 V,表现出优良的储能特性。此外,利用多个超级电容器串联可提高电压的特点对光探器件进行自驱动,成功实现能量存储与转换集成一体化。(3)基于二元NiCo2Se4纳米片电极材料构筑柔性非对称超级电容器及电化学性能究。为了进一步优化器件性能,采用两步水热法在柔性钛丝基底上合成了二元NiCo2Se4纳米片材料。通过控制反应原料的比例和时间制备了形貌均匀的片状NiCo2Se4材料。将所制备的纳米片NiCo2Se4作为正极,NiCo2O4@PPy作为负极,设计并组装成NiCo2Se4//NiCo2O4@PPy柔性非对称超级电容器器件。该器件工作电压稳定达到1.7 V,电容达14.2 F cm-3。在51.6 W cm-3的功率密度下,能量密度为5.18 mWh cm-3。这说明镍钴双金属离子间的协同效应有利于材料电化学性能的提升,同时展现了二元镍钴硒化物在储能领域的巨大应用价值。
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