纳米CoO/三维石墨烯复合材料在超级电容器中的应用

【摘要】当需要在短时间内释放大量能量时,电池将无法提供满足要求的功率输出；而超级电容器作为一种新的电能存储技术却可以在微秒至毫秒时间范围内完全放出所存储的能量。超级电容器填补了普通电容器与电池间的性能空间。它可以用在电动或气电混合交通工具中回收刹车时浪费的能量,或者为便携式通信工具提供能源,甚至在某些领域代替电池。为了能够满足未来的各种应用,制备出高能量密度和功率密度,长循环寿命,低成本超级电容电极材料成为其研究的关键。本论文以提高超级电容的比电容,倍率特性和循环稳定性为目的,设计和制备新的电极材料。首先,利用化学气相沉积法(CVD)制备出自支撑的三维石墨烯材料,代替常用的金属材料作为超级电容器电极的集流体。然后,通过水热法在三维石墨烯表面复合不同的CoO纳米结构,制备出高性能电极材料。本论文主要内容如下：(1)采用CVD方法,以乙醇作为碳源在多孔泡沫镍表面生长出多层石墨烯,然后通过酸处理,制得自支撑的三维石墨烯结构。它很好地继承了泡沫镍的多孔结构,具有较高的比表面积,高的导电性,电化学稳定性和超轻的质量,可以代替金属作为超级电容器的集流体。通过对三维石墨烯的电化学性能测试发现,石墨烯材料在碱性电解质溶液中的循环伏安曲线出现了明显的氧化还原峰。通过与泡沫镍在相同电解质下的循环伏安曲线进行对比,推测是三维石墨烯中残留的金属离子引起了氧化还原峰。(2)为了提高三维石墨烯基电极的比电容,利用水热法和简单的热处理过程,在石墨烯表面原位生长出多孔的CoO纳米片材料。CoO纳米片/三维石墨烯复合电极因剔除了传统电极制备过程中的非活性的粘结剂、导电添加剂等,显著减小了非活性物质的质量,能够获得较高的比电容。在1A/g电流下比电容达231.87F/g,即使计入整个电极的质量,比电容仍可达139.47F/g。因三维石墨烯高的导电性和CoO纳米片与三维石墨烯间良好的电接触,使得复合电极具有较好的倍率特性。同时,复合电极较大的比表面积和三维多孔的纳米结构,可以有效减小电解质离子的扩散电阻,进而提高电极反应速率,提高电极材料的倍率特性。当电流密度从1A/g增大到10A/g时,比电容保持率达79%,证明了电极良好的倍率特性。通过在7A/g的电流密度下进行1000次以上的循环充放电测试,研究电极的循环稳定性。观察到比电容仅有不到2%的衰减,表明电极具有高的循环稳定性。(3)在CoO纳米片/三维石墨烯的工作基础上,通过改变水热反应物和条件,在三维石墨烯表面制备出新的CoO束状纳米材料。每一CoO纳米束均由窄的(-600nm宽)多孔CoO纳米片组成。随后,对CoO纳米束/三维石墨烯复合电极的结构和超级电容性能进行了详细的表征。在1A/g电流下比电容达到352.75F/g,电流密度从1A/g增加到10A/g时比电容保持率超过88%,性能高于CoO纳米片材料。这是因为CoO纳米束材料具有比CoO纳米片更小的尺寸,更高的孔隙率,进一步提高了CoO赝电容材料的利用率。在10A/g电流密度下进行1000次以上循环测试显示比电容几乎没有衰减,表明优良的循环稳定性。
【作者】邓伟；
【导师】兰伟；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】超级电容器；三维石墨烯；CoO纳米片；CoO纳米束；循环伏安法；恒电流充放电测试；

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