基于过渡金属化合物的柔性电极的设计制备及性能研究

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柔性固态电容器作为柔性/可穿戴的电子设备拥有巨大的发展前景。本论文以过渡金属化合物的纳米结构设计为重点,使用碳纳米管膜和泡沫铜作为导电基底,通过原位化学反应和电沉积的方法制备了一系列柔性电极材料,研究其形貌结构和电化学性能,并将其作为正极材料应用于非对柔性固态超级电容器。具体研究内容如下:(1)通过原位化学反应在自支撑碳纳米管薄膜(CNTF)表面生长四元过渡金属氧化物纳米片(Ni-Co-Mn-Mo NS),并进一步在纳米片上沉积碳纳米管导电网络(CNTN),得到了具有“三明治状”结构的的多孔柔性电极薄膜(CNTF/Ni-Co-Mn-Mo NS/CNTN)。得益于高电化学活性的四元金属氧化物纳米片和碳纳米管(CNT)的协同作用以及合理的分层设计,该柔性电极拥有出色的储能性能,在1 M KOH中能达到15.39 F cm-2(2243.42 F g-1)的高比面积电容,优于大多数已报道的柔性电极。基于CNTF/Ni-Co-Mn-Mo NS/CNTN电极的非对称柔性超级电容器拥有优异的电化学性能,其稳定的输出电压为1.5 V,比电容可达3738.12 m F cm-2,对应于1.17 m Wh cm-2的高能量密度。此外,超级电容器具有出色的柔韧性和稳定性,即使在180o弯曲下也能稳定工作,并且在高电流密度下经过10000次充放电循环后仍能保持87.87%的高电容。(2)通过在泡沫铜柔性基底表面生长具有多级纳米结构的Ni Mo O4纳米片@碳纳米管@Cu O纳米线阵列,得到了高性能柔性电极(Ni Mo O4 NSs@CNTs@Cu O NWAs/Cu Foam)。该电极具有内部纳米结构空间分布有序、固有电阻低、电子传输路径短等优点。Ni Mo O4 NSs@CNTs@Cu O NWAs/Cu Foam作为无粘合剂的超级电容器电极材料表现出良好的储能性能,在2 m A cm-2的电流密度下的面积比电容为23.40 F cm-2。组装的非对称器件在1.7 V的工作电压下,其能量密度可达96.40 m Wh cm-3,功率密度高达0.4 W cm-3。此外,在40 m A cm-2的电流密度下,经过10000次循环后电容保持率为82.53%。(3)设计制备了以泡沫铜为基底材料,负载多级纳米结构Ni-Co磷化物@碳纳米管@Cu O纳米线阵列的柔性电极(Ni Co P@CNTs@Cu O NWAs/Cu foam)。与常规的层层包覆型复合材料相比,制备得到的金属化合物-CNTs复合电极材料具有更加优异、稳定的电化学性能。该柔性电极拥有出色的储能性能,在3 M KOH中能达到15.88 F cm-2的高比面积电容,优于大多数已报道的柔性电极。组装的非对称器件在1.8 V的工作电压下,获得面积比电容高达4718.04 m F cm-2,其能量密度和功率密度可分别是29.79m Wh cm-3和4170.96 m W cm-3。同时,经过10000次充放电循环测试后电容保持率仍可保持89.18%。
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