钴酸锌电极材料的制备及电化学性能研究

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超级电容器作为一种环保型的储能设施,因其功率密度高、循环寿命长和充放电速度快,受到人们广泛关注。发展优良性能的超级电容器是解决当今环境问题和化石燃料短缺的有效措施之一。尖晶石结构的钴酸锌(ZnCo2O4)是一种很有前途的超级电容器电极材料,相比单金属氧化物,它拥有更高的理论比电容值和电化学活性,但较低的实际比电容和电导率限制了其发展。论文以ZnCo2O4及其复合物为研究对象,通过研究它们的制备合成工艺、测定物相成分、观察微观形貌、测试电化学性能等,分析了电极材料的制备工艺及微观结构等因素对电化学性能的影响,为其它电极材料的研究提供参考。主要研究内容如下:(1)采用水热法制备ZnCo2O4纳米片和ZnCo2O4纳米线两种电极材料。电化学性能测试表明ZnCo2O4纳米片电极材料的电化学性能更优,在电流密度为2mA/cm2的条件下的面电容为1.86 F/cm2,在20 mA/cm2的电流密度下经过1000次的充放电循环后面电容值保留92.6%。这种优异的性能主要归因于ZnCo2O4三维网状的纳米结构拥有更大的比表面积,使得电解质溶液能够与电极材料充分接触,缩短了离子传输通道,提高了电荷传输的能力。(2)采用水热法制备Fe3+掺杂ZnCo2O4电极材料。电化学测试结果表明经过Fe3+掺杂后的ZnCo2O4电极材料的电化学性能有所提升,在电流密度为2 mA/cm2的条件下的面电容为0.95 F/cm2,在20 mA/cm2的电流密度下经过1000次的充放电循环后面电容值保留90.7%。这种优异的性能主要归因于Fe3+均匀分散在纳米结构之间,使得电极材料的导电率提升,加快了离子在电极材料及电解质溶液之间的传递速度。(3)通过两步水热法分别制备ZnCo2O4@CoMoO4与CoMoO4@ZnCo2O4两种形貌结构不同的核壳结构电极材料。ZnCo2O4@CoMoO4电极材料的电化学性能较优,在电流密度为2 mA/cm2的条件下的面电容为3.97 F/cm2,在20 mA/cm2的电流密度下经过1000次的充放电循环后面电容值保留107.1%。这种优异的性能主要归因于其独特的纳米线/纳米片核壳结构能够充分发挥两种电极材料的特性,更好地产生协同作用。而且,这种交错式的三维立体结构孔隙率高,缩短了电荷在电解质离子和电极材料之间的扩散距离,从而表现出更好的电化学性能。
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