基于金属氧化物和氢氧化物电极的柔性超级电容器研制

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CANDICE301
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超级电容器作为介于传统电容器和电池之间的新型储能装置,具有功率密度大、能量密度大、使用寿命长、经济环保的优点。随着可穿戴、可折叠等柔性电子科学及电子产品小型化技术的快速发展,能为之提供能量的轻薄柔性超级电容器成为当前工业界和学术界的研究热点之一。目前的研究主要集中在电极材料和电解质方面,对柔性结构和界面的研究甚少,且大多采用商业碳布和泡沫镍作为电极集流体,难以同时实现好的电化学性能和机械性能。因此,本论文提出基于金属氧化物和氢氧化物电极的柔性超级电容器研制,旨在保证器件电化学性能的同时提高其柔性。本论文先设计了一种具有特殊结构的柔性导电基底作为集流体,独创性地采用类似于“银镜反应”的化学方法在轻薄柔软的化学纤维织物上均匀生长了一层纳米镍尖锥阵列导电层,得到大面积的柔性导电基底,面电阻介于0.3~0.5Ω之间,并具有优异的抗弯折性和抗水洗性,不仅可以作为电极集流体,还可以应用在电磁屏蔽和柔性电子领域中。基于这种柔性集流体,选取了具有优异电化学性能的金属氧化物和氢氧化物作为电极材料,包括Co(OH)2、NiO和NiCo2O4,通过电沉积和热处理的方法在柔性集流体上原位合成出材料,经测试表征,三种电极均表现出良好的形貌和良好的电化学性能,当电流密度为1 A g-1时,Co(OH)2、NiO、NiCo2O4电极的比电容分别为880.1 F g-1、589.1 F g-1、725.7 F g-1。以制得的Co(OH)2、NiO和NiCo2O4为正极,活性炭为负极,聚乙烯醇(PVA)/KOH为凝胶电解质组装成柔性固态超级电容器,经测试表征,三种超级电容器均表现出优异的电化学性能和机械性能。当电流密度为1 m A cm-2时,Co(OH)2//AC、NiO//AC、NiCo2O4//AC的比电容分别为170.3 m F cm-2(64.0 F g-1)、265.6 m F cm-2(89.4 F g-1)、219.8 m F cm-2(60.2 F g-1),最大能量密度分别为1.24 m W h cm-3、1.63 m W h cm-3、1.35 m W h cm-3。经过充放电循环3000次后比电容维持率分别为63.0%、233.3%、91.9%。经过0°~180°弯折循环1000次后比电容维持率分别为92.8%、94.4%、95.1%。为了探究这种柔性集流体的作用机理,分别对四种不同的集流体进行了比较,包括自制镍布、商业电磁屏蔽布、商业碳布和商业泡沫镍,并在其表面以相同的工艺参数合成Co(OH)2材料。经比较,自制镍布不仅具有突出的微观形貌,可以提供大的比表面积、良好的导电性、优异的界面特性和稳定的机械性能,制得的电极还在电化学性能和弯折性能上均表现出了优越性。分析其在电极反应中的等效电路图,发现其类似于碳布,具有小的电极电阻和电荷传输电阻,且电极表面呈较为理想的状态。因此,本论文发明的柔性导电基底在用于电极集流体时具有诸多优势,制得的柔性固态超级电容器兼具优异的电化学性能和机械性能。
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