镍/钴/锌基电极材料的制备及其电化学性能研究

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镍/钴/锌基化合物是一类极具应用前景的过渡金属化合物材料,其在燃料电池、电化学电容器和锂离子电池的电极材料领域有广泛的应用。具体来说,镍钴锌醇盐作为一种金属有机化合物在非贵金属电催化剂方面有很大的发展潜力;镍钴氢氧化物是一种高性能赝电容型超级电容器材料:镍/钴/锌基过渡金属氧化物则在锂离子电池材料和赝电容材料方面有很高的应用价值。一方面,由于环保的要求,近年来对新能源的需求越来越大,亟待开发相关的新材料。另一方面镍/钴/锌基化合物在新能源材料的众多领域都有很好的应用,可以应对上述的新能源需求。因此,对于镍/钴/锌基化合物的研究一直是一个热点并且已经取得很多研究进展。然而,仍然有很多的挑战等待解决。本文以应用为主线,进行了相关材料制备的研究和相应应用前景的探索。(1)以镍、钴、锌的硝酸盐、异丙醇和丙三醇为原料,通过溶剂热法合成出球形镍钴醇盐(Ni1Co2-g)和锌钴醇盐(Zn1Co2-g),初步探讨了其粒径控制的方法。在此基础上,进行不同温度条件下的N2气氛退火处理,研究了退火温度对电催化性能的影响和材料在金属空气电池催化剂方面的应用前景。实验结果表明,350 ℃处理后得到的Zn1Co2-g350样品拥有最好的OER催化性能,其10 mA/cm2析氧反应电流对应的电势仅为1.60 V,Tafel曲线的斜率也仅为103 mV/decade。此外,循环测试表明Zn1(Co2-g350在1.60 V下400 s之后电流仍能保持80.1%。(2)使用不同镍钴比例的镍钴醇盐为前驱体,通过离子交换法制备出花状镍钻氢氧化物并研究了镍钴比对其电化学性能的影响和在超级电容器方面的应用前景。通过电化学测试发现,镍钻摩尔比1:2时可以获得1226.6F/g(1A/g)的最大比电容。另外,循环测试表明镍钴摩尔比1:2样品在1A/g的充放电电流下,经过3000圈循环之后,比电容仍然能够保留相当高的85.5%。(3)使用六次甲基四铵作为碱源,采用共沉淀法并通过调节溶剂类型的方法成功进行了镍钴氢氧化物的晶型可控制备并探索了晶型和电化学性能的关系。通过三电极测试发现,镍钴摩尔比1:1时,a-镍钴复合氢氧化物在1A/g的充放电电流下拥有2366.6F/g的极高比电容,充放电电流增加到20 A/g时仍然可以获得1772.1 F/g的比电容;二电极不对称电容器测试结果表明其实际应用性能也非常优异,比电容可达433.3 F/g(1A/g),在0.8 kW/kg的功率密度下仍然能获得38.5 Wh/kg的能量密度。(4)使用镍钴醇盐和锌钻醇盐为前驱体煅烧得到了粒径为350nm左右的球形Co3O4、ZnCo2O4和NiCo2O4材料并研究了其作为锂离子电池负极材料的性能。电化学测试表明NiCo2O4首圈放电容量高达1304 mAh/g(100 mA/g),在循环20圈之后仍能保持450 mAh/g(150mA/g)左右的容量。
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