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作者：

王文松

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摘要：

要解决能源短缺的问题,就必须先实现能源的高效利用,这是实现人类社会可继续发展的必经之路.其次作为当今社会最有前景的新一代能源存储和转换装备,超级电容器拥有相当可观的高功率密度,可以快速的发生充放电反应,与此同时,超级电容器还拥有非常稳定的循环性能.超级电容器的电化学性能主要取决于电极材料是否具有优秀的导电率,更大的比表面积,高的质量比电容以及化学反应过程中是否具有稳定的结构.因此,为了突破超级电容器性能瓶颈,研究者们纷纷开始研究对电极材料纳米结构的调控. 二维多孔过渡金属碱式碳酸盐材料是一种非常有发展前景的电极材料,首先,它拥有较大的比表面积和丰富的电化学反应活性位点.其次,碳酸盐与其他材料相比拥有更好的结构稳定性,更高的可逆容量和导电性,最后它还具很好的亲水性,可以增强电极表面的润湿度.这一独特的特性使得碱式碳酸盐表现出不同寻常的特性,例如可以有效地降低充放电过程中的极化.本论文采用水热法成功制备了二维多孔结构的碱式碳酸盐薄片材料.使用XRD,XPS,SEM,TEM,BET等表征手段分析了样品的组成,形貌以及比表面积等信息.并通过循环伏安法等电化学测试方法对其进行了电化学性能的研究. 首先,采用水热法,以Ni(NO3)2·6H2O为镍源,尿素作为沉淀剂,并提供碱性环境,在无模板的条件下合成了二维多孔碱式碳酸镍薄片,并探究了不同条件对材料电化学性能的影响.实验结果表明,180℃下水热12h的Ni2(CO3)(OH)2·H2O薄片的电化学性能最佳.通过SEM和TEM测试可以看出产物是二维多孔薄片结构,内部是许多更小的片状结构相互交错交联而形成的三维交联结构,这种结构拥有更大的比表面积,因此有更多的活性位点,有利于离子的通过,从而提升电化学性能.通过BET测试计算得到二维薄片的比表面积高达102.4m2?g?1.在电化学测试方面,三电极体系中电流密度为1A·g-1时,二维多孔碱式碳酸镍薄片的比电容为2357.5F·g-1.当电流为5A·g-1的情况下,充放电循环2000圈后仅损失1.5%的电容量.非对称超级电容器体系下,以Ni2(CO3)(OH)2·H2O二维多孔薄片为正极,活性炭(AC)为负极.当电流密度为1A·g-1时,电容器的比电容为74.63F·g-1,在功率密度为800W·kg–1,能量密度可以达到26.53Wh·kg–1,在功率密度为4800W·kg–1,能量密度依然可以达到12.8Wh·kg–1. 其次,以Co(NO3)2·6H2O为钴源,在碱性环境下,通过控制水热法中的反应物浓度,反应温度和反应时间,控制合成了Co2(CO3)(OH)2·H2O二维多孔薄片,并探究了不同形貌对电化学性能的影响.实验结果表明,180℃下水热12h的Co2(CO3)(OH)2·H2O薄片的电化学性能最佳,比容量高达1995.74F·g-1.通过SEM和TEM测试发现产物是典型的二维多孔纳米薄片结构.在三电极体系中,随着电流密度的增加(1A·g-1~10A·g-1),比容量从1995.74F·g-1降低到925.53F·g-1,是初始比电容的49.1%.此外,在5A·g-1下循环2000圈后比电容依旧保持为原来的98.1%,具有优秀的循环稳定性.最后以Co2(CO3)(OH)2·H2O二维多孔薄片为正极,AC为负极,组装成Co2(CO3)(OH)2·H2O//AC非对称超级电容器并对其进行测试.结果表明,在1A·g-1的电流密度下比电容为54.56F·g-1,在功率密度为800W·kg–1时能量密度可达到7.55Wh·kg–1. 最后,采用水热法,以Ni(NO3)2·6H2O为镍源,以Co(NO3)2·6H2O为钴源,尿素为沉淀剂,将镍钴按照1:1复合化,成功合成了二维多孔碱式碳酸镍/钴薄片.在电化学性能研究中,当电流密度为1A·g-1时,二维多孔碱式碳酸镍/钴薄片的比电容为2605F·g-1.非对称超级电容器体系下,以NiCo(CO3)(OH)2·H2O二维多孔薄片为正极,活性炭(AC)为负极.电流密度为1A·g-1时的比电容为95.18F·g-1,在功率密度为800W·kg–1,能量密度可以达到33.8Wh·kg–1,在功率密度为8000W·kg–1,能量密度依然可以达到12.44Wh·kg–1.

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关键词：

超级电容器 过渡金属碱式碳酸盐 制备工艺 电化学性能

学位级别：

硕士

学位年度：

2020