【摘 要】
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超级电容器是一种具有功率密度高、循环次数多、工作温限宽、免维护及绿色环保等特点的高效储能装置。在许多储能设备中,其表现出优异的电化学性能。但是其能量密度还远远不及二次电池的能量密度。所以如今研究人员要突破的关键在于保证功率密度不衰减的情况下,同时提高能量密度。金属氧化物对超级电容器能量密度的增益有着极大帮助。三氧化二铁和四氧化三钴因其价格便宜、理论比容量高、易制备等优点,被认为是一种很有应用前景的
【基金项目】
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内蒙古自治区自然科学基金重大项目（2020ZD17）； 内蒙古自治区自然科学基金面上项目（2021MS05011）；
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超级电容器是一种具有功率密度高、循环次数多、工作温限宽、免维护及绿色环保等特点的高效储能装置。在许多储能设备中,其表现出优异的电化学性能。但是其能量密度还远远不及二次电池的能量密度。所以如今研究人员要突破的关键在于保证功率密度不衰减的情况下,同时提高能量密度。金属氧化物对超级电容器能量密度的增益有着极大帮助。三氧化二铁和四氧化三钴因其价格便宜、理论比容量高、易制备等优点,被认为是一种很有应用前景的赝电容电极材料。但它们的导电率比较低,所以本研究通过引入氧空位来改善它们的不足之处。石墨烯具有极大的比表面积和离子传导率,是储能器件中优异的双电层电容材料。我们采用水热合成法,合成出还原氧化石墨烯/含氧空位的Fe2O3-x和Co3O4-x复合材料,获得了优异的电化学性能。本文利用一步水热合成法并经过冷冻干燥及研磨等后续的工艺,分别制备了Fe2O3-x和Co3O4-x/还原氧化石墨烯复合材料,利用多种表征方法研究其结构和形貌。组装成对称型超级电容器并分析其电化学性能,工作如下:1.以氧化石墨烯和九水合硝酸铁为原料,利用水热合成法制备了还原氧化石墨烯/含氧空位的三氧化二铁(rGO/Fe2O3-x)复合电极材料。扫描电镜和透射电镜结果表明,Fe2O3-x呈球状均匀生长在rGO多孔网络结构上。通过XPS结果得出Fe3+:Fe2+的拟合峰面积比为0.869:1,x值为0.535。在2 m V/s的扫速下,得到基于Fe2O3-x质量比电容高达1745.5 F/g。将复合电极材料组装成对称型超级电容器,在120 W/kg的功率密度下,得到的能量密度为39.2 Wh/kg。10000次的电化学循环后的电容保持率为96.23%。对称型超级电容器呈现出较好的倍率性能和循环稳定性。2.利用一步水热合成法,以氧化石墨烯（GO）和六水合硝酸钴（Co（NO3）2·6H2O）为实验原料,简易制备了含氧空位的三维还原氧化石墨烯/四氧化三钴(3D rGO/Co3O4-x)复合电极材料。通过XPS结果算出Co3+和Co2+的拟合峰的面积比为3:5,得出Co3O4-x的x值为0.44。通过扫描电镜、透射电镜观察,Co3O4-x呈线状或球状均匀分布在多孔网络结构的3D rGO上,表明了3D rGO/Co3O4-x复合材料的成功制备。在2 m V/s的扫描速率下,基于Co3O4-x的质量比电容为635.7 F/g。将复合电极材料组装成对称型超级电容器,在功率密度为100 W/kg时,得到的能量密度为10.6 Wh/kg。经过10000次电化学循环后的电容保持率为98.15%。对称型超级电容器优异的电化学性能归因于石墨烯大的比表面积、良好的多孔性以及Co3O4-x与石墨烯之间的协同效应。
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