论文部分内容阅读
作为新一代储能装置,超级电容器因为功率密度高、循环寿命长、充电快速等突出优势,引起了社会密切的关注。然而,低比容量和较低能量密度却成为其不容忽视的技术瓶颈,大大限制了在储能领域的应用。由能量密度公式（E=1/2QV）推出,提升超级电容器能量密度的决定因素是比容量和工作电压。因此本文选取具有高比容量和良好导电性的硫化物作为研究对象,成功地合成了不同形貌的硫化物及其复合材料,然后以硫化物及其复合材料、三维石墨烯凝胶分别作为正极和负极材料,设计组装成非对称超级电容器。通过阴离子交换这一温和的方法在泡沫镍上原位合成了独特的NiCo2S4纳米管阵列。然后,采用电沉积的方法在NiCo2S4骨架上包覆适宜质量的Ni3S2纳米片,得到NiCo2S4@Ni3S2核壳纳米管阵列复合材料。运用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）等分析手段对电极材料的形貌和结构进行表征,以及在三电极体系中对NiCo2S4和NiCo2S4@Ni3S2电极进行电化学测试。结果表明,在4 m A cm-2电流密度下,NiCo2S4@Ni3S2的面积比容量高达4.25 C cm-2,比纯NiCo2S4电极（2.62 C cm-2）提升了62.21%。当电流密度达到最大值40m A cm-2,NiCo2S4@Ni3S2复合材料的面积比容量依然保持在3.12 C cm-2。NiCo2S4@Ni3S2复合材料杰出的电化学性能归功于以下几点:1、NiCo2S4纳米管中空结构和良好导电性的贡献;2、核壳结构有利于提高电极材料的机械稳定性和循环稳定性;3、NiCo2S4和Ni3S2都是优异的法拉第电极材料,发挥了异质协同作用。以NiCo2S4、NiCo2S4@Ni3S2作为正极材料,同时以三维石墨烯凝胶作为负极材料,构造非对称超级电容器。电化学测试结果显示,NiCo2S4@Ni3S2//r GO凝胶非对称超级电容器取得了优异的电化学性能:在0.5 A g-1电流密度下比容量达到163.15 C g-1;当功率密度在0.36 k W kg-1时,能量密度高达32.75 Wh kg-1。此外,循环寿命测试表明,NiCo2S4@Ni3S2//r GO凝胶非对称超级电容器具有卓越的循环稳定性能(在2 A g-1电流密度下,经过5000次循环充放电后容量保持率依然为77.50%)。由此可见,NiCo2S4@Ni3S2//r GO凝胶非对称超级电容器在储能领域具有良好的应用前景。采用一步法溶剂热反应合成了形貌可控、粒径均匀的NiCo2S4微球,运用SEM、EDS、XRD对制备材料的形貌和结构进行表征,以及在三电极体系中对NiCo2S4电极进行电化学测试。结果显示,在1 A g-1电流密度下,NiCo2S4电极质量比容量高达599.4 C g-1。即使在20 A g-1最大的电流密度下,其质量比容量仍然有298 C g-1。NiCo2S4微球电极在电化学性能上的优势主要来源于:一方面NiCo2S4是具有代表性的法拉第材料,不仅具有丰富可逆的氧化还原反应,而且导电性良好;另一方面NiCo2S4微球表面拥有交联的纳米片,大大促进电解质离子的扩散,同时为电荷转移提供有效路径。以NiCo2S4微球、三维石墨烯凝胶分别作为非对称超级电容器正负极材料,然后进行组装。测试结果显示,随着电流密度的不断增大,NiCo2S4//r GO凝胶非对称超级电容器的质量比容量由171.2 C g-1变化到117.6 C g-1。当功率密度为0.39 k W kg-1时,其能量密度高达36.72 Wh kg-1。即使在3.10 k W kg-1高功率密度时,其能量密度依旧可达25.33 Wh kg-1。此外,循环寿命测试表明,在4 A g-1大电流密度下经过5000次循环充放电后,NiCo2S4//r GO凝胶非对称超级电容器容量保持率仍为77.85%,表现出优异的循环寿命。通过简单的溶剂热反应一步合成NiCo2S4/r GO复合凝胶,NiCo2S4纳米粒子均匀地镶嵌在三维石墨烯片表面。运用XRD、Raman、SEM、TEM等手段对所合成材料的结构和形貌进行表征。通过电化学工作站和LAND电池系统对电极材料进行一系列电化学性能测试。结果显示,在1 A g-1电流密度下,NiCo2S4/r GO复合凝胶的超大质量比容量为714 C g-1。即使在最大电流密度20 A g-1时,其比容量仍然保持了81.23%(580 C g-1),比纯的NiCo2S4还要高,体现出良好的倍率性能。另外,在10 A g-1的大电流密度下,经过5000次循环充放电,NiCo2S4/r GO复合凝胶的比容量仍然高达初始值的90.21%,表现出杰出的循环稳定性能。优异的电化学性能来源于三维多孔结构的r GO大比表面积及高导电性的贡献,不仅增多了NiCo2S4活性物质法拉第反应的活性位点,而且提供了快速高效的电荷转移和离子扩散速率。