层状过渡金属氢氧化物的结构优化及其在超级电容器中的应用

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超级电容器由于其较高的功率密度,优异的倍率性能及循环性能而受到广泛关注,但其较低的能量密度限制其发展和应用。这是由于超级电容器中电化学反应主要发生在电极表面,活性材料的利用率相对较低,因此发展嵌入式电容材料是提高能量密度的有效策略。氢氧化钴与氢氧化镍是典型的嵌入式电容材料,其独特的层状结构有利于离子的扩散与反应,从而具有较强的储能能力。然而在实际应用中,它们的性能并未得到充分的发挥,而一些常用的改性手段需要较高的材料成本和技术成本,不利于大规模生产和应用。因此,本论文在上述两种材料的基础上,创新性地选取了阴阳双离子共嵌入的策略,将钾离子与氯离子引入到过渡金属氢氧化物材料中,有效地提高了此类材料的电化学性能,具体工作如下:(1)不同离子嵌入对氢氧化钴性能的影响。通过将没有离子嵌入,氯离子嵌入,钾离子嵌入以及两种离子共嵌入的氢氧化钴进行表征及对比,发现氯离子的嵌入会提高H的吸附能,从而使更多的电解质离子嵌入材料并发生反应,从而提高比电容;而钾离子的嵌入会降低氢氧化钴的带隙,提高其导电性,从而促进电荷的传输与转移,提高比电容和倍率性能。双离子嵌入的样品在两个方面均得到优化,从而具有更高的电化学性能。(2)双离子嵌入氢氧化钴性能的优化。通过改变电沉积时间调整电极上活性物质的负载量。当电沉积时间为25分钟,质量在5 mg左右时电极具有较高的面电容,当电流密度为5 mA cm-2时其面电容能达到3.21 F cm-2。将其与电化学酸化的碳布组装成全电容之后,其功率密度为478.6 W kg-1时能量密度仍能达到39.8 W h kg-1,具有一定的应用价值。(3)双离子嵌入不同钴镍比氢氧化物的电化学性能研究。通过制备氯离子及钾离子共嵌入的不同钴镍比的氢氧化物进行表征和分析。当镍离子在材料中占主导时,活性物质的结晶性较差且易在基体上均匀成膜,相对的电化学行为表现出明显的电池型;而当钴离子占主导时,活性物质的结晶性较强且在基体上形成垂直的纳米片,电化学行为更倾向电容型。当钴镍比为1:3时电极具有最佳的电化学性能,当电流密度为2 A g-1时其质量比电容可达到1405.9 F g-1,且在50A g-1的高电流密度下电容保持率仍能达到79.7%,具有广阔的应用前景。综上所述,通过双离子嵌入对钴镍基氢氧化物进行结构优化,调控钴镍的原子比可以有效提升该类材料的电化学性能,对提升超级电容器的能量密度,拓宽其应用领域发挥了重要的作用。
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