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摘要
镍钴基金属硒化物电极材料的设计、制备以及电化学性能的研究
随着能源问题的日益严重,科研人员对储能装置的关注也不断增加。许多优
秀的储能装置开始进入人们的视野,如超级电容器,有功率密度大、出色的长期
循环能力等优势,但在实际应用中却常常受到能量密度不够理想的困扰。按照储
能机制分类,可以分为赝电容器、双层电容器和混合超级电容器。因为能兼备其
他电容器的优点,混合超级电容器成为了超级电容器领域研究的热点。其中电极
材料的选择及设计对于提升超级电容器的电化学性能有着决定性的影响。过渡金
属是最常见的电极材料之一,镍钴基化合物由于非常合适的成本和极佳的理论容
量而被广泛应用。尽管它们的氧化物及氢氧化物具有导电性差的缺陷,过渡金属
硒化物则可以避免这一点。已有大量关于镍钴的硒化物作为超级电容器电极材料
的研究,但器件的能量密度仍不够理想,所以我们选择通过两种方法来提升镍钴
基硒化物的电化学性能,使其更好地在实际中得到应用。
(1)从电极材料的微观形貌改善出发:首先我们加入了二氧化硅微球作为
模板,通过简易的两步水热法合成了多孔的新型银耳状镍钴硒化物。这种新型的
薄片形貌和多孔结构提供了大量的电化学活性位点同时提高了反应动力学,经过
测试也证明其很大程度上提升了材料的电化学比表面积,而硒化后镍钴基材料的
导电性与其氢氧化物相比也得到了大大的提高。新型银耳状的镍钴硒化物的单电
-1-1
极在1Ag时可达636.2Cg,表现出较高的容量,同时也表现出良好的倍率性
能(20Ag-1,66.1%)和导电性,所有电化学性能都远远超过了未加入模板普通形貌
的镍钴硒化物。最终,我们通过将合成的材料与活性碳分别作为正负极来探究其
实际应用能力。组装后的混合超级电容器在功率密度为822.5Wkg-1时的能量密
度达到了53.7Whkg-1,经过1万次循环后也保持了86.1%的容量,展示出极佳
的长期循环能力。我们组装的混合电容器能成功点亮15个串联的红色灯泡30
分钟以上,展示了强大的实际应用能力和巨大的发展潜力。
(2)从元素掺杂角度出发:在泡沫镍上通过简单的两步水热生长片状的镍
钴硒化物,之后通过在管式炉中低温磷化,得到了掺杂磷元素的最终产物。通过
扫描电镜观察发现多步反应过程中材料的微观结构一直未发生明显变化,而通过
一系列表征也能证实磷元素的掺杂和目标镍钴硒化物的成功合成。掺磷的镍钴硒
-1-1
化物单电极在1Ag下的比容量可以达到679Cg并表现出良好倍率性能(10A
g-1,51.5%)以及相对较低的阻抗。得益于磷元素与其他元素之间的协同作用,
磷元素掺杂后的镍钴硒化物电化学性能相较于镍钴硒化物和镍钴磷化物均有明
显提升。最后,我们将最终产物与活性碳分别作为正负极组装了混合超级电容器,
在功率密度为825Wkg-1时的能量密度为61.2Whkg-1。在3Ag-1下循环1万次
后仍保持80.5%的容量,体现了优异的长期循环能力,证明了该材料的实际应用
能力和在未来超电研发领域中的无限可能。
关键词:
过渡金属硒化物,混合超级电容器,新型形貌,元素掺杂
Abstract
Design,preparationandelectrochemicalperformanceof
Ni-Co-basedmetalselenideelectrodematerials
Withtheincreasinglyseriousenergyproblem,researcherspaymoreattentionto
energystoragedevices.Asanewtypeofenergystoragedevice,supercapacitorshave
highpowerdensityandexcellentlongcyclestability,buttheyareoftentroubledby
lowenergydensity
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