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由于具有理论容量高(0.44 V放电电压范围内为2365 F g-1)和环境友好等优点,Ni(OH)2成为电容器电极材料的研究热点。Ni(OH)2存在α和β两种晶型,相比于在碱液中能够稳定存在的β-Ni(OH)2,α-Ni(OH)2具有更高的理论容量,但在碱液中容易转化为β-Ni(OH)2。另外,由于Ni(OH)2是p型半导体,较差的导电性限制了其在大电流充放电条件下的应用。一般通过与导电性碳材料复合或元素掺杂来提高材料的导电性和稳定性。本文采用不同方法制备了不同晶型和形貌的Ni(OH)2,通过表面沉积Co(OH)2和内部掺杂Co元素的方法对材料进行了改性,研究了材料的电容性能。主要研究内容包括:
⑴采用水热和化学沉淀两步合成法制备了Ni(OH)2/Co(OH)2复合材料。首先采用水热法制备了面包圈状的β-Ni(OH)2,然后以β-Ni(OH)2作为前躯体,通过化学沉淀的方法制备了Ni(OH)2/Co(OH)2复合材料。β-Ni(OH)2的特殊结构、Co(OH)2颗粒以及充电过程中生成的导电性CoOOH使复合材料表现出良好的倍率性能和循环性能:2 A g-1电流密度下,容量可达到2193 F g-1,电流密度增大到20Ag-1时,容量仍能达到1398 Fg-1,明显高于纯相的β-Ni(OH)2。在一系列大电流密度下连续循环500周后,再次在5 A g-1电流密度下进行充放电,复合材料的容量仍能达到1785 Fg-1,继续循环1000周,容量保持率为84.7%。
⑵以六亚甲基四胺(HMT)作为沉淀剂和模板剂,采用均相沉淀法制备得到了Ni(OH)2纳米片。XRD和IR测试结果表明,当镍盐的浓度为2 mM时,制备得到的样品为纯相的β-Ni(OH)2。而当浓度为18 mM时,得到的样品为层间吸附有HMT分子的Ni(OH)2-x(C6H12N4)yClx-·nH2O。在小电流密度下两种材料均表现出很高的放电比容量,Ni(OH)2-x(C6H12N4)yClx-·nH2O在大电流充放电条件下及长周期的循环中表现出更好的电化学性能:2 A g-1的放电比容量能达到2314 Fg-1,20 Ag-1时容量仍能维持在1584 F g-1。经过一系列大电流密度下的长时间循环之后,再在5 A g-1电流密度下进行充放电,Ni(OH)2-x(C6H12N4)yClx-·nH2O纳米片的容量仍可恢复到1927 F g-1,继续循环1000周后,容量保持率为89.8%,另外,将Ni(OH)2-x(C6H12N4)yClx-·nH2O纳米片与多孔碳组装成Ni(OH)2/PorousCarbon非对称电容器,测试了其电容性能。测试结果表明,Ni(OH)2/Porous Carbon非对称电容器具有很高的能量密度和功率密度。
⑶采用均相沉淀法,以尿素作为沉淀剂,制备了花状的α-Ni(OH)2,并通过Co掺杂对材料进行了改性。电化学测试表明,制备的α-Ni(OH)2表现出良好的循环性能而掺杂一定量的Co则能够进一步提高材料的比容量和循环性能。当Co的掺杂量为2 mol%时,材料的电化学性能最好:1 A g-1电流密度下放电比容量可达到2147 F g-1,电流密度增大到15Ag-1时,容量仍能达到1407 F g-1。在一系列大电流密度下循环之后,再在5 Ag-1电流密度下进行充放电时,放电比容量仍能恢复到1532 F g-1,继续循环1000周后,容量仅损失5.4%,表现出良好的循环性能。