碱式碳酸钴/镍纳米复合材料的制备及其超级电容性能研究

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超级电容器作为一种新型的储能器件,因其具有环境友好、寿命长、功率密度高及低成本等优点而成为人们关注的焦点,作为器件核心的电极材料更是研究的重中之重。碱式碳酸钴/镍因其特殊的晶体结构在电化学电极材料方面引起了广泛的研究兴趣,本文采用简单的水热法合成了三种不同形貌的碱式碳酸钴/镍纳米复合电极材料,并研究了它们的超级电容性能。主要研究内容如下:1、带状Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2的合成及其超级电容性能研究采用水热法首次合成了尺寸可控的Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2纳米带,发现添加氨水的量对Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2的尺寸大小、形态和相组成比例都有很大影响。所获得的纳米带电化学性能表明,在1 A g-1时,比电容为987 F g-1,在30 A g-1时,比电容为720 F g-1,具有出色的倍率性能(72.9%)。以Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2纳米带为正极材料组装的不对称超级电容器(ASC)在1 A g-1下显示出110 F g-1的高比电容和83.3%的保留率(5000次循环),并且其可以在24019 W kg-1的功率密度下提供22.7 Wh kg-1的能量密度,这表明材料在高功率密度下具有强大的能量存储能力。此外,组装的ASC表现出出色的柔韧性,在经历不同的弯曲角度后其超级电容器性能几乎不变,两个串联的ASC可以点亮黄色LED 15分钟。2、花状Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2的合成及其超级电容性能研究在上一个实验的基础上,首先通过调节PVP的用量获得了单根纳米带,最后通过调节反应物中的钴镍比例,合成了一种花状电极材料,并通过SEM、TEM、XRD、FTIR、TG、BET、XPS、EDS等对样品的形貌、结构和组成进行了表征。结果表明,不同钴镍比例会影响单体碱式碳酸盐的物相,并且当钴镍比为1:1时,其性能最佳,在1 A g-1时比电容高达1546 F g-1,并且在10、30 A g-1下的保持率分别为93.0%及84.9%,展现出一个极佳的倍率性能。此外,组装的ASC展现了一个优异的电压窗口(1.6 V)、高的能量密度(39.5 Wh kg-1)、高的功率密度(23955 W kg-1)和很好的弯折性能,并且组装的ASC在大电流密度下充电几秒后可作为电源点亮一个红色的LED灯泡20 min。3、海胆状Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2的合成及其超级电容性能研究以尿素作为沉淀剂和碳源,通过简单的一步水热法合成了海胆状Co(CO30.5(OH)/Ni2(CO3)(OH)2纳米复合材料,并研究了不同钴镍比例下合成的样品的形貌及电化学性能,结果显示当钴镍比为1:1时所获得的复合材料性能最佳。在1 A g-1下展现了1682 F g-1的突出比电容,30 A g-1时其性能仍然能保持1333 F g-1,展现出高倍率性能(79.3%),经过2000次循环,保持率为96.8%。将其组装的ASC拥有一个较高的电压窗口(1.7 V)和能量密度(42.5 Wh kg-1),且在25511 W kg-1的大功率密度下其能量密度仍达20.6 Wh kg-1,将ASC弯曲成不同的角度发现其具有较好的弯折性能,且在大电流密度下充电5 s后能点亮一个红色灯泡25 min。
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