过渡金属氧化物纳米结构的可控合成和电化学性能研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

过渡金属氧化物纳米结构的可控合成和电化学性能研究认领

被引量： 4

作者：

张继君

学位授予单位：

电子科技大学

摘要：

社会的发展对储能器件提出了更高的要求。开发具备高安全性、高比容量、高倍率、良好的循环稳定性能的新型储能器件是目前研究的一个重要趋势。现有的储能器件存在充电速度慢、功率密度低、安全性能差等诸多问题。为了从根本上解决这些问题,要从储能电极材料入手。本文的研究是以过渡金属氧化物储能材料为基础,合成形貌可控的纳米结构并制备为新型高性能电极,对其进行电化学性能分析和研究,尤其是将石墨烯、镍铝双金属氢氧化物（NiAl-LDH）材料以及Mn的掺杂与形貌可控的过渡金属氧化物形成特定结构的复合材料,然后对其结构和作为储能器件电极进行相应的表征和电化学性能分析研究。在高性能正极材料方面,本文主要研究的是具有三维纳米网状结构的CoNiO2材料、rGO/CoNiO2复合材料和CoNiO2@NiAl-LDH复合材料。在高性能负极材料方面,本文主要研究是具有空心球状的α-Fe2O3材料以及Mn掺杂α-Fe2O3@rGO复合材料。本文主要研究成果如下:（1）三维纳米网状结构的CoNiO2材料的可控合成及其电化学性能研究。制备了三维纳米网状结构的CoNiO2材料,并对合成的CoNiO2电极材料进行结构表征和分析。利用不同的水热反应时间,结合微观形貌结构和电化学性能,研究CoNiO2电极材料生长机理、形貌演化机制及其三维纳米网状结构的形成机理。通过调控反应物中表面活性剂聚苯乙烯磺酸钠浓度和反应物PH值,来优化三维纳米网状结构和CoNiO2电极的电化学性能。对最优条件下制备得到的CoNiO2电极材料进行各项电化学测试,利用不同倍率的恒流充放电测试,在电流密度为1 A/g下,其比容量达到1462 F/g,即使在32 A/g的高电流下测试,其比容量还能保持68.4%。我们利用高的电流密度（4 A/g）进行循环恒流充放电测试,进行了800圈的寿命测试,发现其性能为初始阶段的87.55%,说明其具有优良的循环寿命。（2）在制备的CoNiO2材料的基础上引入石墨烯材料,制备了rGO/CoNiO2的复合材料并对其电化学性能进行研究。制备得到氧化石墨烯溶液,利用溶液中的片状氧化石墨烯具有丰富的官能团,利于生长复合材料等特性,设计将三维网状结构的CoNiO2材料生长到氧化石墨烯片上,使其具有更高的倍率性能。然后对制备的rGO/CoNiO2材料进行对比表征分析。我们制备得到的rGO/CoNiO2材料与单纯CoNiO2材料相比具有更好的分层结构,更多的电子传输通道,减少和阻止了原先CoNiO2材料之间的团聚和不断循环充放电后材料结构的坍塌,使得具有更高倍率的循环稳定性能。最后对其进行电化学性能研究,在32 A/g的高电流密度下,其比电容相对于在1 A/g下,发挥其原有性能的72.7%。在8 A/g的相对大电流密度下,我们对rGO/CoNiO2电极进行循环恒流充放电测试,经过了2000圈的循环测试后,保留94.2%的性能,说明制备得到的rGO/CoNiO2电极材料具有高倍率性能以及即使在高倍率性下也具有优秀的循环稳定性能。（3）在制备的CoNiO2材料的基础上引入NiAl-LDH材料,制备了CoNiO2@NiAl-LDH复合材料并对其电化学性能进行研究。利用CoNiO2材料的优秀的倍率性能、高的循环稳定性以及较大的比容量等特性,我们以CoNiO2材料为骨架,在CoNiO2材料的纳米线表面生长纳米片状高比容量NiAl-LDH材料,最终制备得到复合结构的CoNiO2@NiAl-LDH材料,并对其进行表征和分析。制备得到的这种特殊结构,避免了单纯的NiAl-LDH的纳米片之间的团聚,进一步增加了活性物质与电解液之间的接触面积,从而也增加了电化学活性区域。同时,由于互相交错相连的CoNiO2的骨架也增加了NiAl-LDH的纳米片之间的电子传输通道。最后对制备的CoNiO2、Ni-Al LDH和CoNiO2@NiAl-LDH材料进行电化学性能研究。得出我们所制备的CoNiO2@NiAl-LDH复合材料具有非常高的比电容的前提下,还能具有更好的倍率性能。经过了1000圈的循环寿命测试后,其性能保留了96.8%,说明制备得到的CoNiO2@NiAl-LDH材料也具有非常好的循环稳定性。（4）可控合成了空心球状α-Fe2O3材料并对其作为赝电容型超级电容器的负极材料进行电化学性能研究。通过不同方案合成不同的Fe2O3材料的循环寿命测试,确定了空心球状α-Fe2O3材料方案,然后结合水热反应,提出了一种空心球状α-Fe2O3的形成机制。并对其进行结构表征和分析,发现这种独特的结构使得电解液能比较容易的进入空心球的内部,活性材料与电解液得到充分的接触,缩短了离子传输的距离,增加了氧化还原反应中的有效活性区域。最后对其进行电化学性能研究。在16 A/g的高电流密度下,其比电容相对于在1 A/g下,保留了70.3%,说明其具有非常好的倍率性能。在1 A/g的电流密度下,经过了1000圈的循环测试后,其性能保留了68.7%,说明制备得到的空心球状α-Fe2O3材料具有较好的循环稳定性。利用空心球状α-Fe2O3材料作为超级电容器的负极材料和CoNiO2@NiAl-LDH材料作为正极材料,PVA&KOH作为固体电解质和隔膜,组装成两个串联的固体电解质超级电容器,并对其电化学性能进行表征,发现相对于液体电解质,固体电解质组装成的储能器件,其循环寿命有一定的提高,这主要是由于固体电解质束缚了空心球状α-Fe2O3材料的体积变化,阻住了铁元素在电化学反应中溶解和扩散,从而使得其具有更优秀的循环寿命曲线。（5）在制备的空心球状α-Fe2O3材料的基础上,利用Mn掺杂和石墨烯包覆,形成Fe-Mn-O@rGO材料,并对其作为赝电容型超级电容器的负极材料进行电化学性能研究。根据其在水热中发生的化学反应,提出了一种Fe-Mn-O@rGO材料的形成机理。并对其形貌和结构进行表征和分析,引入了Mn的掺杂形成Fe-Mn-O,使得氧化还原过程中形成的Fe（OH）2材料的稳定性和导电性得到提高,同时,我们利用氧化石墨烯表面丰富的官能团,能轻易地包裹在Fe-Mn-O外面,使得材料的稳定性和导电性进一步提高,并使得椭球之间的电子传输性能也得到提升。从而提高整体的电化学性能。在不同电流密度的倍率充放电测试,发现从1 A/g到16 A/g时,其比电容还能保留为原先的64.4%,在经过1000圈的寿命循环后,其性能仅仅衰减到原先最大值的83.4%。组装了以Fe-Mn-O@rGO材料为负极,NiAl-LDH材料为正极的夹片式赝电容型超级电容器。并对其进行了电化学测试,在1000圈寿命测试,还能保留81.2%的性能。我们制备得到的赝电容型超级电容器还具有优异的功率密度和能量密度,在扫速为10 mV/s时,其功率密度为3.8 kW/kg,对应的能量密度能达到85.3 Wh/kg。当扫速为100 mV/s时,其功率密度达到12.9 kW/kg,而其能量密度还能保持在40 Wh/kg。

摘要译文

关键词：

赝电容; 镍钴氧化物; 石墨烯; 镍铝水滑石; 三氧化二铁

学位年度：

2019

学位类型：

博士

学科专业：

光学工程

导师：

陈泽祥

中图分类号：

TB383.1;TM53[电容器⑨]

学科分类号：

080804[智能电器与电工装备]