多級結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物與硫化物超級電容器及其應(yīng)用研究

多級結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物與硫化物超級電容器及其應(yīng)用研究隨著各種中小型便攜電子設(shè)備和新能源電動(dòng)汽車的普及,對高能量密度,高功率密度和長循環(huán)壽命儲電設(shè)備的需求越來越高。目前的便攜儲電設(shè)備主要以鋰離子電池為主,但鋰離子電池面臨充電速度慢,循環(huán)壽命短,功率密度不足等缺點(diǎn),難以繼續(xù)滿足人們對高性能儲電設(shè)備的需求。超級電容器作為一種新興的儲電設(shè)備,基于快速的儲能機(jī)制,能夠彌補(bǔ)鋰離子電池循環(huán)壽命短和功率密度不足的缺點(diǎn),有望在未來儲電領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。近年來,風(fēng)能,太陽能,潮汐能等可再生綠色能源逐漸得到開發(fā)和使用,伴隨而來的能量存儲問題也亟需解決,風(fēng)能,太陽能和潮汐能不像傳統(tǒng)的水電和火電能夠保持相對穩(wěn)定的能量輸出,而是具有顯著的波動(dòng),直接進(jìn)入電網(wǎng)會產(chǎn)生諸多問題,而采用化學(xué)能將其存儲起來再重新分配成為一種解決方案。超級電容器在這方面具有先天的優(yōu)勢,或可與太陽能,風(fēng)能等發(fā)電設(shè)備聯(lián)用,解決電力的輸送問題。多級結(jié)構(gòu)納米材料在電化學(xué)儲能領(lǐng)域具有特殊的優(yōu)勢,多級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓展了納米材料的表面積,同時(shí)也形成了有效的電荷傳輸通道,是提高電極材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵。本論文的主要研究內(nèi)容是通過水熱法在集流體上合成多級結(jié)構(gòu)的納米材料,克服粉狀電極材料的相互團(tuán)聚問題,從而改善電化學(xué)儲能效果,本論文主要研究內(nèi)容和成果如下:1、采用兩步水熱法合成了NiCo2O4@MnMoO4核殼結(jié)構(gòu)納米陣列,該結(jié)構(gòu)以導(dǎo)電性優(yōu)異的NiCo2O4作為核,MnMoO4作為殼,NiCo2O4納米棒以陣列的形式直接生長在泡沫鎳集流體表面。在該結(jié)構(gòu)中,MnMoO4作為殼結(jié)構(gòu)直接與電解液接觸,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)參與儲能,NiCo2O4主要作為電荷的傳輸通道,同時(shí)暴露的部分與電解液接觸也能參與電化學(xué)反應(yīng)的儲能。NiCo2O4@MnMoO4核殼結(jié)構(gòu)不僅能夠形成大表面積的多級核殼結(jié)構(gòu),同時(shí)核結(jié)構(gòu)的NiCo2O4和殼結(jié)構(gòu)的MnMoO4分工合作,產(chǎn)生協(xié)同作用。進(jìn)一步組裝成超級電容器原型器件,也顯示出NiCo2O4@MnMoO4核殼結(jié)構(gòu)具有良好的儲能性能。2、采用兩步水熱法合成了多級結(jié)構(gòu)的NiCo2O4納米陣列,多級結(jié)構(gòu)的NiCo2O4納米陣列由NiCo2O4納米棒作為核,NiCo2O4納米片作為殼的同質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)組成。相比于NiCo2O4納米棒陣列,多級結(jié)構(gòu)的納米陣列具有更大的比表面積,同時(shí)還有效的引入了更多的活性材料,提高了單位面積上的活性材料負(fù)載,但又巧妙的解決了活性物質(zhì)過多導(dǎo)致的堆積。相比于單純的NiCo2O4納米片,由于有了NiCo2O4納米棒作為骨架,NiCo2O4納米片可以有序的分布在三維空間中,避免了無序的堆疊,這樣的結(jié)構(gòu)對于高效的電化學(xué)反應(yīng)十分有利。在電化學(xué)反應(yīng)時(shí),核殼結(jié)構(gòu)中的NiCo2O4納米棒和NiCo2O4納米片均可以與電解質(zhì)接觸參與反應(yīng),NiCo2O4納米棒直接生長在泡沫鎳集流體上,本身還可以作為電子的高速傳輸通道,因此非常適合作為超級電容器的電極材料。3、采用兩步水熱法合成了具有多級結(jié)構(gòu)的三維CoSx納米網(wǎng)。三維CoSx納米網(wǎng)由一維的CoSx在空間相互交織而成,一維的CoSx則由一根CoSx納米線和其表面的CoSx褶皺組成。CoSx納米線直接生在在泡沫鎳集流體上,因而不需要添加導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑即可直接用作電極。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得電極材料能夠有效的與電解液充分接觸,一維的CoSx則可以充當(dāng)電子的傳輸通道。因此,這種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的CoSx能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電化學(xué)反應(yīng)和電荷傳輸,實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。用三維CoSx納米網(wǎng)組裝成超級電容器后,我們也獲得了性能優(yōu)異的超級電容器原型器件。4、為了進(jìn)一步探索超級電容器在頻率器件領(lǐng)域的應(yīng)用,我們研究了NiCo2O4//AC非對稱超級電容器的濾波性能,非對稱超級電容器使用NiCo2O4納米陣列作為正極,活性炭作為負(fù)極,使用50Hz的市電頻率作為研究對象。非對稱電容作為頻率器件的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在較小的器件上獲得較高的能量密度,缺點(diǎn)是響應(yīng)速度不夠快。我們采用高導(dǎo)電性的NiCo2O4納米棒陣列作為電極材料,希望它能盡量實(shí)現(xiàn)較快的頻率響應(yīng)。結(jié)果顯示,雖然最終輸出的直流信號質(zhì)量