氢氧化镍基复合材料的电沉积合成及其赝电容性能研究

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超级电容器作为一种绿色新型储能装置,因其具有功率密度高,长循环使用寿命,充放电快等特点而引起研究者的广泛关注。而在超级电容器中,决定其性能的最重要因素为电极材料,在众多的电极材料中,氢氧化镍因其具有理论比容量高,低成本,绿色环保等优点,被认为是在超级电容器领域一种很有前景的电极材料。但是氢氧化镍属于半导体,其本征电导率只有10-17 S cm-1,导电性差从而导致运输电子速率低、反应速率慢;而且在长时间充放电反应过程中容易造成结构坍塌体积变化从而导致稳定性差。为了解决上述问题,氢氧化镍电极材料常采用材料纳米化以及材料复合化两类方法。本文通过操作简单、快速、绿色的电沉积方法制备氢氧化镍基复合材料,通过复合优异的导电性材料(金属Ni、聚苯胺(PANI)、石墨烯)来提升氢氧化镍的赝电容性能。具体研究内容如下:(1)本文通过简单电沉积方法在不同电解质(Na Cl与Na2SO4)下制备纳米级导电金属Ni/Ni(OH)2复合材料。通过控制电解液中阴离子的类型控制Ni/Ni(OH)2复合材料的微观结构。结构测试表明Ni/Ni(OH)2复合材料呈球形和片状两种形貌,并且表征发现阴离子存在,这是导致复合材料形貌不同的原因。以Na Cl为电解质合成的Ni/Ni(OH)2复合材料显示片状交错的多孔蜂窝结构,比表面积更大(87.8 m~2 g-1),从而表现出更加优异的电化学性能,比电容在1 A g-1电流密度下达到1295 F g-1,即使电流密度为10 A g-1电容仍保持53%,并且经过2000次循环后电容保持率达到68%。而以Na2SO4为电解质合成的球形Ni/Ni(OH)2复合材料比表面积较小(21.7 m~2 g-1),导致其电化学性能较差,比电容在1 A g-1电流密度下达到336 F g-1,并且电流密度为10 A g-1时电容保持率仅为46%,同时循环2000次后电容保持率仅为58%。(2)为有效改善Ni/Ni(OH)2复合材料的电化学性能,本文通过电沉积方法在Ni/Ni(OH)2复合材料表面沉积一层导电PANI微米片材料,并研究了不同时间和电压对其形貌与电化学性能的影响。当电压和时间过大时,PANI微米片发生团聚,导致材料电化学性能降低。研究发现,当电压为1.25 V和沉积时间为150 s时,PANI微米片均匀覆盖于Ni/Ni(OH)2复合材料表面,并且Ni/Ni(OH)2/PANI复合材料比Ni/Ni(OH)2复合材料表现出更好的电化学性能。Ni/Ni(OH)2/PANI复合材料在1 A g-1电流密度下的比电容可达1400 F g-1,并且其倍率和循环性能也得到改善,在10 A g-1的电流密度下倍率达到62.7%,在10 A g-1电流密度下循环2000次后电容保持率达到76%。另外,将上述材料与活性炭组装成Ni/Ni(OH)2/PANI//AC非对称超级电容器,在0.5 A g-1电流密度下,当功率密度为347.2 W kg-1,其能量密度为52.7 Wh kg-1。(3)本文采用一步电沉积方法将Ni(OH)2与导电材料PANI和r GO进行复合,成功制备出以r GO为支撑载体,纳米线状Ni(OH)2/PANI均匀分布其表面的三元Ni(OH)2/PANI/r GO复合材料。由于其具有的独特结构,三元复合材料Ni(OH)2/PANI/r GO的比表面积(118.4 m~2 g-1)高于球形Ni(OH)2/PANI(22.3 m~2 g-1)和蜂窝状Ni(OH)2/r GO(101.3 m~2 g-1)二元材料。其中,导电材料PANI与r GO的引入不仅增强导电性从而加快电荷转移速率,而且为复合材料提供结构稳定性的实体,导致三元复合材料电化学性能更加优异。在5 A g-1电流密度下,Ni(OH)2/PANI/r GO的比电容高达2320F g-1高于Ni(OH)2/PANI(1199 F g-1)和Ni(OH)2/r GO(1437 F g-1)的比电容,并且在10 A g-1电流密度下循环2000次其电容保持率为84.39%,高于Ni(OH)2/PANI(67.70%)和Ni(OH)2/r GO(73.04%)。另外,以Ni(OH)2/PANI/r GO复合材料和活性炭作为正负极组装成Ni(OH)2/PANI/r GO//AC非对称超级电容器,在功率密度为465.6 W kg-1下,其能量密度高达96.5 Wh kg-1。
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