NiCo2S4三維多孔網(wǎng)絡(luò)電極材料的構(gòu)筑及性能研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，在高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和日益變革的科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，人類開始積極尋求可再生的清潔能源，隨之是科研工作者對(duì)電能儲(chǔ)存裝置的關(guān)注。超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置，可產(chǎn)生比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度，比二次電池更高的功率密度，因而能夠滿足大型、大功率設(shè)備對(duì)于儲(chǔ)能器件的高功率和高能量的需求。超級(jí)電容器還具有充放電過程短、循環(huán)使用壽命長、工作溫度范圍寬、制作簡單、小體積、使用安全的優(yōu)勢(shì)，在新能源存儲(chǔ)中承擔(dān)著不可替代的角色。能量密度、功

2、率密度和循環(huán)次數(shù)是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能設(shè)備的重要指標(biāo)。目前，超級(jí)電容器的能量密度只有1~10 Wh Kg-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充電電池。根據(jù)能量密度的計(jì)算公式E=CV2，提高超級(jí)電容器能量密度的兩種途徑是提高比電容和拓寬工作電壓。由此，研發(fā)高比電容電極材料和組裝新型超級(jí)電容器是未來的研究熱點(diǎn)。目前，科研工作者已經(jīng)合成各種納米結(jié)構(gòu)的碳材料和金屬氧化物。本論文的工作以過渡金屬硫化物和氮摻雜碳電極材料作為切入點(diǎn)，研究了電極材料和非對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能，主要

3、的工作如下所示：
　　1.三維網(wǎng)狀NiCo2S4的制備及性能研究
　　實(shí)驗(yàn)中泡沫鎳用作導(dǎo)電基底，先利用水熱反應(yīng)在泡沫鎳表面生長花瓣?duì)頝iCo2O4，再利用花瓣?duì)?NiCo2O4和 Na2S之間的離子交換反應(yīng)，制備三維網(wǎng)狀NiCo2S4。三維網(wǎng)狀 NiCo2S4直接生長在泡沫鎳上，即活性物質(zhì)牢牢固定在導(dǎo)電基底上。電極經(jīng)歷連續(xù)的充放電測(cè)試時(shí)，由于活性物質(zhì)不易脫落，而表現(xiàn)出優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性。導(dǎo)電基底和活性物質(zhì)直接接觸，減小了電極的

4、接觸電阻，同時(shí)泡沫鎳具有高的電子電導(dǎo)率，能夠加快電荷的轉(zhuǎn)移。泡沫鎳的大孔結(jié)構(gòu)增大電極/電解液的界面面積，孔結(jié)構(gòu)也可作為電解液的“緩沖區(qū)”，有利于電解液離子的快速傳輸。NiCo2S4的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為電荷和電解液離子的傳輸提供快捷的通道，因而該電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在1 Ag-1電流密度下，電極產(chǎn)生的最大比電容為1501.2 F g-1；在2 Ag-1電流密度下，經(jīng)過連續(xù)2000次的恒流充放電測(cè)試，電極仍然保持95.4％的初始比電

5、容。
　　2.非對(duì)稱超級(jí)電容器基于三維網(wǎng)狀NiCo2S4和氮摻雜多孔碳纖維電極材料
　　首先是氮摻雜多孔碳纖維(NCNF)的制備過程。實(shí)驗(yàn)中使用碳纖維作為基底，利用原位氧化聚合反應(yīng)在碳纖維上生長“針刺狀”聚苯胺，合成聚苯胺/碳纖維(PANI/CNF)復(fù)合材料；利用氫氧化鉀(KOH)活化劑，對(duì)聚苯胺/碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行高溫活化處理，最終得到氮摻雜多孔碳纖維。碳纖維基底可提供高導(dǎo)電性，用作電荷快速傳輸?shù)耐ǖ馈Ｖ苽涞牡獡诫s多孔碳纖

6、維含有大量介孔和部分微孔，可促進(jìn)電解液離子的快速傳輸；增大的電極/電解液界面面積可儲(chǔ)存更多的電荷，提高電極材料的比電容。在5 mV s-1掃描速率下，氮摻雜多孔碳纖維產(chǎn)生的最大比電容為210.1 F g-1。其次是組裝非對(duì)稱超級(jí)電容器。正電極使用三維網(wǎng)狀NiCo2S4，負(fù)電極使用氮摻雜多孔碳纖維，以絕緣的隔膜分開兩個(gè)電極（類似“三明治”結(jié)構(gòu)），組裝成NiCo2S4//NCNF非對(duì)稱超級(jí)電容器。電化學(xué)測(cè)試采用2 M KOH水系電解液。使用