基于NiCo-LDH的柔性核壳结构复合电极的制备及电化学性能研究

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随着柔性可穿戴电子产品的兴起,人们对柔性储能器件的需求也日益迫切。在柔性储能器件中,柔性超级电容具有高功率密度、环境友好、充放电快和循环寿命长等优点,近年来成为了研究热点,柔性电极的材料和制备是决定其性能及成本的关键因素。层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,简称LDH)具有层板元素可调、大比表面积、高氧化还原活性等特征,是一类良好的赝电容电极材料,已引起了人们的广泛关注。在众多的LDH中,研究较多的是Ni基LDH。其中,NiCo-LDH具有电化学活性强、理论比电容高的优点,但其导电性较差、易团聚、其结构在充放电过程中容易坍塌、循环稳定性低,限制了实际应用。为此,本文以碳布为柔性衬底,采用水热法和电沉积法制备出Ni Co@Ni Co-LDH和Ni Co2O4@Ni Co-LDH两种核壳结构的复合电极。对其结构、形貌和成分进行了表征,较系统地研究了复合电极的电化学性能,并进行了非对称超级电容器的制作及点亮LED的应用实验。获得的主要结果如下:(1)采用水热和电沉积的方法,在碳布基底上,制备了Ni Co@Ni2Co1-LDH核壳结构复合电极,其中1维Ni Co-LDH纳米线作为核,垂直且均匀地生长在碳布表面,其平均直径约为100 nm,平均长度约为1 um。2维Ni2Co1-LDH纳米片壳层生长在Ni Co-LDH纳米线表面。Ni Co@Ni2Co1-LDH复合电极的比表面积为23.311 m2/g,体积比表面积为0.08173 cm3/g,远高于Ni Co-LDH纳米线,说明复合后比表面积显著增加。(2)研究了NiCo@Ni Co-LDH复合电极中,Ni Co-LDH纳米片壳层的不同Ni、Co比例以及Ni Co-LDH纳米线的引入对电极电化学性能的影响,发现:壳层中Ni、Co比例为2:1时电极具有最优的电化学性能,在电流密度为5 m A/cm2时,拥有9.67 F/cm2的面积电容,是Ni Co-LDH纳米线引入前(8.194 F/cm2)的1.2倍;库伦效率达到了89.2%,这是由于Ni Co-LDH纳米线的引入加快了电子的传输,核壳结构暴露了更多的活性位点,增大了比表面积。该电极在连续2000圈循环后,还保持了75%的电容,而Ni Co-LDH纳米线引入前,电容的保持率仅为在43.2%。表明复合成核壳结构后循环稳定性也有明显提升。(3)采用水热法在碳布基底上生长了NiCo-LDH纳米线阵列,通过高温退火形成了Ni Co2O4纳米线阵列,再利用电沉积在Ni Co2O4纳米线表面合成了Ni Co-LDH纳米片阵列,获得Ni Co2O4@Ni Co-LDH核壳结构的复合电极。其中1维Ni Co2O4纳米线作为核,垂直且均匀地生长在碳布表面,其平均直径约为100 nm,平均长度约为1 um。Ni2Co1-LDH纳米片壳层生长在Ni Co-LDH纳米线表面。(4)研究了NiCo2O4@Ni Co-LDH复合电极的电化学性能,发现引入NiCo2O4纳米线后的复合电极在3 m A/cm2电流密度时,拥有11.1 F/cm2的高面积比电容。性能的提升归因于:Ni Co-LDH纳米片沉积在Ni Co2O4纳米线上面增加了电活性材料的比表面积和暴露了更多的活性位点区参加反应;Ni Co2O4纳米线也能够提供一部分电容;Ni Co2O4纳米线的介入增强了Ni Co-LDH纳米片与碳布基底之间的电子传输能力,提高了电子的传输速率;核壳结构能够缩短电解液离子传输的距离和提高材料的循环稳定性。本论文通过水热和电沉积法构建了分别以NiCo-LDH纳米线和NiCo2O4纳米线为核、Ni Co-LDH纳米片为壳的两种复合柔性电极,研究了其电化学性能,并讨论了相关机理。研究成果为Ni Co-LDH纳米材料电化学性能的提升开拓了新思路,为其在柔性超电领域的实际应用提供了基础数据。
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