石墨烯/镍复合材料原位转化制备及其性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:laozhoudehua
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超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,其容量可达几百至上千法。相比传统电容器,它的特点就是拥有较大的容量、能量密度及功率密度,较宽的工作温度范围和较长的使用寿命。因此,超级电容器被广泛应用于太阳能能源系统、风力发电系统、新能源汽车发展、智能分布式电网系统以及分布式储能系统等领域。超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。而电极是超级电容器的关键部件,如何开发出一种高性能电极材料,提高超级电容器的充电和放电性能,是超级电容器研究的热点。一体化电极不用胶粘剂和导电剂,电极材料利用效率高,并且具有优异的力学性能。因此,一体化电极是当前超级电容器具有广阔发展前景的电极材料之一。本文通过两种途径来制备石墨烯/镍(G/Ni)复合材料,一是将油酸(OA)包覆的镍粉在不同温度下进行放电等离子烧结制备GOA/Ni复合材料;二是将甲酸镍(NF)热分解的复合粉体在500℃进行放电等离子烧结制备GNF/Ni复合材料。然后对这两种G/Ni复合材料进行结构表征和性能分析,研究烧结工艺和热分解温度对这两种G/Ni复合材料形貌及性能的影响。通过X射线衍射分析(XRD)得出,G/Ni复合材料中金属镍均没有被氧化。对电化学腐蚀后(电解液为质量分数3.5%NaCl溶液,腐蚀时间2400 s,腐蚀电压1.5V vs.Ag/AgCl)的G/Ni复合材料进行SEM扫描,在其表面发现了层状结构物质;利用Raman表征,均存在1580 cm-1的G峰和2700 cm-1附近的2D峰,说明在烧结过程中油酸与甲酸镍中的碳都转化成了少层石墨烯。对G/Ni复合材料进行硬度分析,600℃烧结制备的GOA/Ni复合材料维氏硬度最大达到176.5 HV,而甲酸镍300℃热分解制备的GNF/Ni复合材料维氏硬度最大达到244.1 HV;对G/Ni复合材料进行压缩强度测试,600℃温度条件下烧结制备的GOA/Ni复合材料压缩强度最大达到479.1 MPa,而甲酸镍在300℃温度条件下热分解制备的GNF/Ni复合材料压缩强度最大达到1086.9MPa。对G/Ni复合材料的耐腐蚀性能进行测试分析,电解液为质量分数3.5%NaCl溶液,700℃温度条件下烧结制备的GOA/Ni复合材料腐蚀电流密度最小(2.56E-05 A/cm2),同时腐蚀电位最正(-0.7259 V vs.Ag/AgCl),耐腐蚀性能最好。G/Ni复合材料经电化学腐蚀后制得一体化电极,对其进行电容性能测试,500℃烧结制备的GOA/Ni复合材料经电腐蚀600 s后制得的电极的面积比电容最高,达到4376 mF/cm2;经XRD分析,在经电化学腐蚀G/Ni复合材料表面存在Ni、Ni(OH)2和NaCl的峰,证明腐蚀过程生成了Ni(OH)2,Ni(OH)2是赝电容的主要来源。G/Ni复合材料兼具较高力学强度和较优的超级电容器性能,为新型结构-超级电容器一体化电极的制备和应用奠定了基础。
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