分级结构镍基花状微球的合成及超级电容性能研究

论文总字数：15387字

摘 要

本文以乙酸镍作为镍源，甲醇作为溶剂，利用溶剂热法制得了分级结构的镍基花状微球。通过X射线衍射仪(XRD)，场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和红外光谱仪对所得样品的样貌进行表征，分析样品的结构，发现该样品为分级结构的花状微米球。利用循环伏安测试、恒流充放电测试以及通过测试交流阻抗研究分析了所得样品的电化学性质。经研究发现，此反应条件下合成的产物在浓度为1 mol·L^-1 KOH电解液中，1 A·g^-1的电流密度下充放电比电容达到1698 F·g^-1。在大电流10 A·g^-1下，充放电比电容为915 F·g^-1，因此该产物具备大电流充放电性能。另外，我们对其稳定性也进行了研究，在电流密度下5 A·g^-1的条件下，经过500次循环后容量仍然能够维持在首次的55.33 %。一系列数据表明，该电极材料具备优良的超级电容性能。

关键词： 溶剂热；镍基花状微球；超级电容性能

Abstract: In this study, nickel-based flower-like microspheres with hierarchical structure were prepared by solvothermal method using nickel acetate as raw material, and methanol as solvent. We use X-ray diffraction spectroscopy(XRD), Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and Infrared Spectrum(IR) to characterize the structure and properties of samples. In addition, Cyclic voltammetry, Galvanostatic charge-discharge and AC Impedance were used to mesure the supercapacitor performance. The product synthesized by this reaction was found to have a specific capacitance of 1698 F·g^-1 in a 1mol·L^-1 KOH solution at a current density of 1 A·g^-1, which exhibited excellent capacitance behavior, and the capacitance still has retention of 915 F·g^-1 at a high current density of 10 A·g^-1 in 1mol L^-1 KOH solution. The capacity can still be able to maintain around 55.33 % of the initial capacity after 500 cycles at the current density of 5 A·g^-1. These results indicate that the as-obtained product was a perfect electrode material of supercapacitor.

Key words: solvothermal method; nickel-based microspheres; high-performance supercapacitor

目 录

1 引言 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 超级电容器 1

1.3 超级电容器电极材料 6

1.4 镍基电极材料 7

1.5 本文主要研究内容 8

2 实验部分 8

2.1 仪器和试剂 8

2.2 实验部分 8

3 实验结果与讨论 9

3.1 样品XRD及红外表征结果 9

3.2 样品的SEM表征结果 10

3.3 超级电容性能研究 11

结论 14

参考文献 15

致谢 17

1 引言

1.1 课题背景及研究意义

近年来，随着人类经济社会的高速发展以及人口的急剧增多，电动汽车和可移动电子设备得到广泛使用，石油、煤炭等非可再生资源日趋短缺，能源逐渐耗尽，并且工业废气、生活污染以及温室效应等环境问题日益严重。如何在实现经济和社会发展的同时，又能保证可持续发展，是目前人类所面临的重大课题^[1-3]。为缓解能源和环境压力，世界各国开始开发利用可再生清洁能源。其中，研究电化学体系实现电化学能量的存储和转化对于替代自然界矿物燃料能源得到普遍关注。

对于新能源的开发和应用，纵观电子信息产业的迅速发展，人们对于高容量、高效率、循环寿命长且成本低廉的环保储能装置需求迫切，而普通电池如蓄电池以及常规电容器并不能达到目前人类对于储能元件的要求^[4-5]。超级电容器各方面优异的性能满足了在人们在容量、效率、寿命、成本及环境方面的需要。

1.2 超级电容器

1.2.1 超级电容器的定义

超级电容器，也被称为电化学电容器、法拉电容器与双电层电容器^[6]，是一种直接高效的储能装置，并且能够提供瞬时大功率输出。其原理是利用电极和电解液接触时所形成的稳定的、电荷相反的界面双层来储存电荷。超级电容器的性能介于常规电容和普通电池之间，与之相比较，超级电容器的比电容更高、充放电时间更短、循环寿命更长和清洁环保等优点使得超级电容器在众多领域具有巨大的市场价值与潜力^[7]。

1.2.2 超级电容器的分类及原理

(1)分类

超级电容器一般可分为三类：双电层电容器、法拉第准电容器(赝电容器)和混合电容器^[8]。

(2)原理

①双电层电容器

双电层电容器(EDLC)是利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储能量的一种新型电子元件，是建立在双电层理论基础之上的^[9]。其主要采用的电极材料为具有较大比表面积的碳材料。双电层储能机理主要是指当电极上的活性物质和电解液中的离子接触时，界面之间会由于相互之间作用力，在电极片与电解液的界面处出现由正负电荷所形成的稳定的界面双电层。在施加电场下，电极上的活性物质根据同性相斥、异性相吸的原则，阴离子向正极，阳离子向负极，两者相反方向移动。在外电场消失后，正负离子相互吸引形成稳定的电势差。

②法拉第准电容器

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