钴基超级电容器电极材料微纳结构调控及其电化学性能研究

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1、学校代码１０４５９学号或申请号２０１４１１１９０１００密级博士学位论文钴基超级电容器电极材料微纳结构调控及其电化学性能研究作者姓名：王雪兆导师姓名：曹少魁（教授）学科门类：工学专业名称：材料学完成时间：２０１８年９月AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorDesignandFabricateofCo-basedNanocompositesforHigh-PerformanceSupercapacitorByXuezhaoWangSupervisor:Prof.Sha

2、okuiCaoMaterialsScienceSchoolofMaterialsScienceandEngineeringSeptember,2018学位论文原创性声明本人郑遺声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含仟何其他个人成集休己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集休，均己在文中以明确方式标明《本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：曰期：年反月Ｕ学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使

3、用学位论文的规定，同意学校呆留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文－－或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定■＝学位论文作者：１＾０＾／〇曰闩期：＞／＠年／７＿月摘要摘要钴(Co)基电极材料具有理论容量高、制备方法简单、多价态等特点，已成为当前最具发展潜力的超级电容器电极材料之一。但Co基电极材料也存在许多问题，如导电

4、性差、循环稳定性不佳、电势窗口较窄等，从而限制了其在超级电容器领域的发展与应用。针对这些问题，本文从材料微纳结构调控方面出发，分别构建了Co-pre纳米片@NiCo-LDHs纳米片核-壳阵列(Co-pre@NiCo-LDHsNNAs，其中Co-pre为Co(OH)2、Co5(O9.48H8.52)NO3的混合物)、CoO纳米片@MnO2纳米片核-壳阵列(CoO@MnO2NNAs)、CoO纳米线@MnO2纳米片核-壳阵列(CoO@MnO2NWAs)、Co9S8@氮掺杂石墨烯复合材料(Co9S8@NGR)等电极材料。同时，通过多元成分间的协同作用及非对称电容器的构建极大的提高了材料与器件的储能性能

5、。具体研究内容如下：(1)利用电沉积法在泡沫Ni表面生长具有3D分级结构的Co-pre@NiCo-LDHs纳米片核-壳阵列(Co-pre@NiCo-LDHsNNAs)。通过粉末X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对前驱体Co-preNAs、Co-pre@NiCo-LDHsNNAs进行物相分析及形貌表征，并探讨电沉积电压、电沉积时间对电极材料的微观形貌和电容性能的影响。通过循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)、交流阻抗(EIS)测试对电极材料的电化学性能进行分析研究，当电流密度为1Ag-1时Co-pre@NiCo-LDHsNNAs的比容量达到171

6、2Fg-1，明显高于前驱体Co-preNAs(1416Fg-1)。将Co-pre@NiCo-LDHsNNAs与活性炭(AC)构建非对称超级电容器Co-pre@NiCo-LDHsNNAs//AC并对其储能性能进行研究，当功率密度为0.85kWkg-1时，能量密度达到62.33Whkg-1；当能量密度为18.88Whkg-1时，功率密度达到34.00kWkg-1；电流密度10Ag-1时，恒流充放电10000次，比容量保持率达90.92%。(2)利用溶剂热法在泡沫Ni表面生长具有3D分级结构的CoO纳米片@MnO2纳米片核-壳阵列(CoO@MnO2NNAs)。电化学性能研究表明CoO@MnO2NNA

7、s在电流密度为2mAcm-2时，比容量高达2.40Fcm-2(约1200Fg-1)，优于CoO电极材料；探讨了KMnO4溶液中的反应时间对CoO@MnO2NNAs的微观形貌及电化学性能的影响，反应持续5小时得到CoO@MnO2NNAs的电容性能最佳。将具有3D分级结构的CoO@MnO2NNAs与AC构建非对称超级电容器CoO@MnO2NNAs//AC并对其超级电容性能进行研究，窗口电压达1.7V，