鈷、釩氧化物-三維石墨烯復(fù)合納米材料的電化學(xué)儲(chǔ)能研究.pdf

1、現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，越來越多的國家開始注重新型綠色能源的開發(fā)。然而新能源（太陽能、風(fēng)能、潮汐能等）的間歇性限制了其大規(guī)模應(yīng)用，所以研究高效的能源存儲(chǔ)技術(shù)迫在眉睫。已經(jīng)廣泛應(yīng)用的鋰離子電池具有能量密度高、輸出電壓高等特點(diǎn)，但是在大功率輸出方面存在不足，而超級(jí)電容器具備高功率密度和長循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)，可有效彌補(bǔ)鋰離子電池的劣勢(shì)?；诖搜芯勘尘?，本論文的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)合理的電極結(jié)構(gòu)，提高其電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)，并應(yīng)用于超級(jí)電容器。首先，采用CVD方法制

2、備出能夠自支撐的三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為集流體；然后，采用水熱法在三維石墨烯表面生長一層活性材料，將其直接作為超級(jí)電容器電極進(jìn)行電化學(xué)性能測試；最后將電極組裝成超級(jí)電容器，評(píng)估器件整體電化學(xué)儲(chǔ)能效果。文章的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)利用CVD方法在1000℃下，生長出自支撐的三維石墨烯(3DG)網(wǎng)絡(luò)作為集流體。通過簡單的水熱方法，在其表面生長出包覆了銀量子點(diǎn)的Co3O4納米片前驅(qū)物，隨后退火得到Ag/Co3O4/3DG復(fù)合材料

3、。這樣的優(yōu)勢(shì)是集流體與活性材料之間無需任何非活性的粘結(jié)劑，在減輕電極質(zhì)量的同時(shí)又大大減小了界面電阻。對(duì)Ag/Co3O4/3DG復(fù)合電極進(jìn)行各種電化學(xué)測試，計(jì)算得到在1mA cm-2的電流密度下，面電容值可達(dá)304mF cm-2，是未加銀的Co3O4/3DG電極的兩倍。Ag/Co3O4/3DG復(fù)合電極在4000次循環(huán)后達(dá)到面電容的最大值421mF cm-2，在10000循環(huán)后面電容仍保持約為120％。如此優(yōu)越的性能不僅歸因于電極合理的結(jié)構(gòu)

4、設(shè)計(jì)，而且Ag量子點(diǎn)包裹在Co3O4納米片中可有效提高Ag/Co3O4/3DG復(fù)合電極的導(dǎo)電性，從而大大增加電極的比電容，同時(shí)其倍率性能也獲得顯著提高。最后將Ag/Co3O4/3DG復(fù)合電極與AC電極成功組裝成非對(duì)稱電容器，該器件的面電容為53.3mF cm-2(1mA cm-2)，與此同時(shí)其能量密度可達(dá)26.7Wh kg-1，功率密度最高達(dá)15000W kg-1。將器件在2mA cm-2下充電30s后，可成功點(diǎn)亮紅色LED燈半小時(shí)。<

5、br>　　(2)利用Ag/Co3O4/3DG復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)采用石墨烯為集流體，并水熱法生長了電壓窗口更寬的釩氧化物。采用V2O5作為釩源，通過改變水熱前驅(qū)液中的十二胺濃度，利用十二胺的還原性以及V5+與V4+離子半徑的不同，成功地在三維石墨烯上生長出VOx納米帶及納米管形貌。VOx/3DG復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，即1mA cm-1的電流密度下，其面電容值為225mF cm-2，當(dāng)掃速速率由5mV s-

6、1增大到100mV s-1時(shí)，曲線形狀依然保持較好。同時(shí)對(duì)納米管形貌的電極進(jìn)行2000次的循環(huán)充放電測試，面電容保持為最初值的76.7%，證明了此電極具有良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(3)對(duì)VOx/3DG復(fù)合材料進(jìn)一步優(yōu)化，改變水熱溶液中溶劑的配制，在三維石墨烯上均勻生長了一層由納米帶插接而成的更為均勻的VO2納米花，VO2納米花/三維石墨烯（VO2NFs/3DG）直接作為超級(jí)電容器電極，無需任何導(dǎo)電劑及粘合劑，降低了電極質(zhì)量的

7、同時(shí)也降低了電極材料的電阻。同時(shí)三維石墨烯上均勻的VO2納米花結(jié)構(gòu)增大了與電解液的接觸面積，由于VO2納米帶形成的納米花相互連接，有利于電解液離子的滲入并參與氧化還原反應(yīng)，從而使得VO2NF/3DG復(fù)合電極表現(xiàn)出良好的電化學(xué)特性，其面電容可達(dá)到466mF cm-2(3mA cm-2)。對(duì)其進(jìn)行3000次循環(huán)充放電測試以后，比電容保持為最初的63.5%，相比于其他釩氧化物文獻(xiàn)中的報(bào)道，VO2NFs/3DG復(fù)合電極的電容和循環(huán)穩(wěn)定性都得到了