三维多孔Ni(OH)2的合成及其超级电容性能研究

论文总字数：13443字

摘 要

本文以乙酸镍、乙醇和尿素为原料，用溶剂热沉淀法，制得Ni(OH)₂纳米薄片。利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，透射电子显微镜(TEM)，X射线衍射(XRD)对产品的结构和形态进行表征。采用循环伏安法(CV)和恒电流放电(GCD)测试产品的电化学性能。合成的Ni(OH)₂ 的温度在250 ℃时，电流密度为1 A g^-1 下放电比电容达到2110 F g^-1 ，在5 A g^-1的电流密度下经过2000次循环其容量保持为原来的53 %，说明所制备的Ni(OH)₂ 是良好的超级电容材料。

关键词：氢氧化镍，多孔结构，电化学性能

Abstract: In this paper, nickel hydroxide nanosheet was prepared from nickel acetate, ethanol and urea by solvothermal precipitation method. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-Ray diffraction (XRD) were used to characterize the structure and morphology of the product. Cyclic voltammetry (CV) and constant current discharge (GCD) were used to test the electrochemical properties of the product. When the temperature of the synthesized Ni(OH)₂ was 250 ℃, the discharge specific capacitance reached 2110 F g ^{- 1} at the current density of 1 A g ^-1and kept at 53 % after 2000 cycles at the current density of 5 A g^{- 1}, which indicated that the prepared Ni(OH)₂ was a good supercapacitor material.

Key words: Nickel hydroxide, Porous structure, Electrochemical performance

目 录

1 引言 4

1.1超级电容的概述 4

1.1.1超级电容的特点 4

1.1.2 超级电容的应用 5

1.1.3 超级电容的分类 5

1.1.4 超级电容的制备 5

1.2 多孔氢氧化镍的制备和应用 6

1.3 本文主要研究内容 6

2 实验部分 7

2.1.1仪器 7

2.1.2 试剂 7

2.2.1电极材料合成 7

2.2.2 三维多孔Ni(OH)₂的合成 7

2.2.3 材料表征 8

2.2.4 电化学性能测试 8

3 实验结果与讨论 9

3.1 X射线衍射表征结果 9

3.2 SEM和TEM表征结果 10

3.3 超级电容性能研究 11

3.3.1 Ni(OH)₂循环伏安测试 11

3.3.2 Ni(OH)₂充放电性能研究 12

结 论 16

参 考 文 献 17

致 谢 19

1 引言

1.1 超级电容的概述

1.1.1 超级电容器的特点

近年来，随着电动汽车和可移动电子设备的广泛应用，以及化石能源的消耗和空气污染问题，人们对于环境友好、容量高、循环寿命长的能量存储和转化装置进行了深入的研究。研究结果表明超级电容器是一种能够快速充放电具有较高比功率的优良能量存储装置。同时它还拥有良好的可逆性且使用寿命长。至今，研究人员主要的超级电容研究热点是开发具有高比电容的电极材料。例如活性炭材料，采用活性炭材料的优点是价格低廉，但是它的缺点是具有较大的内阻。因为导电聚合物的循环性能较差，所以它的应用较少。一般来说，基于钌的金属氧化物电极材料拥有较高的比电容量，不过它的缺点是价格昂贵，因此不会大规模地被使用。所以目前来说，研究者们选用的电极材料要同时满足具有良好的电化学性能和价格廉价这两个条件。过渡金属氧化物或氢氧化物由于其性能较好已经成为研究热点。其中含镍化合物有着较高的比容量引起了研究者们的广泛关注。

超级电容器是一种强大的，有效的化学能量储存系统。电化学超级电容器在过去的几十年里受到了越来越多的关注是由于其独特的优势，其具有功率密度高、快速充电、循环寿命长、易制造、环保等优点。其具备的特点：

1. 功率密度高：超级电容器的功率密度可达300 W/kg~5000 W/kg，远远超过电池的功率密度。
2. 快速充电：大电流给超级电容器充电时，充电时间在10 s~10 min之内能够达到超级电容器额定容量的95 %以上，并且在这个时间内能够实现快速充电。而普通蓄电池充电时间则需要几个小时，最快速度也需要几十分钟，并且快速充电频率过高反而会对电池造成损耗。
3. 循环寿命长：超级电容器的循环寿命长，它的循环使用次数能够达1~50万次在深度充放电的情况下，它并没有“记忆效应”。它的储能机理囊括化学反应和物理过程，在物理过程中的充放电过程只有电荷或离子的转移，化学电极并不会发生相变，也不会影响使用寿命。因此，无论是在电化学还是物理反应中，超级电容器具有电容的衰减量少，使用循环次数高的特点。

（4）易制造：超级电容器在整个工作过程中，它的运动部件简易，所需要的维护也简单且易操作。

（5）绿色环保：超级电容器产品是非常理想的环保电源，它的在原材料构造、生产、运用、存储以及拆分过程中是无污染的。

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