氢氧化镍基复合电极材料的制备及其电化学性能的研究

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1、氢氧化镍基复合电极材料的制备及其电化学性能的研究ProductionofNickelHydroxide-basedCompositeElectrodeMaterialsandStudyofTheirElectrochemicalProperties作者姓名：刘吉悦专业名称：材料物理与化学指导教师：王欣教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月28日中文摘要随着人们对绿色能源和生态环境两方面的重视，超级电容器（Supercapacitor，SC）——一种新型储能器件，日益受到关注。其电荷存储能力远高于物理电容器，而充放电速率和效率优于一次或充电电池。研发兼具高的能量密度和功率密度的

2、超级电容器是当代科学工作者所聚焦的工作。而提高超级电容器的性能与电极材料、电解液和隔膜的种类及性能密不可分。赝电容是通过电活性物质在电极表面发生高度可逆的氧化还原反应来完成能量存储的。与电极/电解液界面电荷的单纯静电累积产生双电层电容相比，赝电容器具有相对高的能量密度和功率密度，尤其当电极材料为稀贵金属氧化物如RuO2时。实现双电层电容的电极材料通常是碳，而赝电容电极材料主要为过渡族氧化物或氢氧化物，以及导电聚合物。近年来，从轻质、低成本和高性能储能器件的应用要求出发，尤其是随着便携式电子器件的快速发展和电动汽车电源系统的不断提升，在全世界范围内掀起了对其它非贵金属氧化物或氢氧化物作

3、为电极材料的研究。其中氢氧化镍（Ni(OH)2）具有高的理论比电容和价格低廉的特点，但是导电性不佳，而且在充放电过程中存在稳定性降低的问题，限制了这种赝电容材料的推广应用。纳米碳材料石墨烯具有许多优异的性能，如高的导电性、导热性2和化学稳定性，而且单层石墨烯理论比表面积接近于3000m/g，理论比电容高于500F/g。将石墨烯与Ni(OH)2加以复合，有望产生协同效应，获得新型、高性能的超级电容器电极。此外，针对单一氢氧化物活性电极材料存在的稳定性差的弊端，还可以通过添加多元氢氧化物/氧化物研究解决,同时提高Ni(OH)2的利用率、减少电化学活性物质用量，提高比电容，建立一种混合电极

4、体系，使电极材料在保持其自身高电容性能的同时兼具有良好的稳定性能。采用等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）的方法，以泡沫镍（NiFoam，NF）作为生长碳材料的基底和超级电容器的集电极，通过调控沉积条件，分别获得了水平和竖直生长（碳纳米墙）形貌的石墨烯纳米碳材料（分别表示为HG和VG）；以HG/NF和VG/NF为基底，利用电化学沉积技术，生长Ni(OH)2纳米片多孔薄膜，制备复合电极材料。电化学测试结果表明，水平生长的石墨烯纳米片基底上电化学沉积的Ni(OH)2虽然具有极好的循环稳定性，但比电容限制在了20

5、00F/g以下；而竖直定向生长I的石墨烯纳米片基底上生长的Ni(OH)2的比电容值虽然高达2539F/g（在电流密度为2.3A/g的条件下），但是循环稳定性却被大大削减。因此，本论文主要以Ni(OH)2/碳纳米墙/NF作为电极材料体系，在保持其高比电容的同时，同时具有与Ni(OH)2/HG/NF复合材料相匹敌的稳定性，从而提高超级电容器电极的综合电化学性能。开展的具体研究工作如下：首先利用PECVD方法制备碳纳米墙，沉积时间为30min，并将其作为电化学沉积Ni(OH)2的基底，通过以电沉积时间为变量，从而找到Ni(OH)2与碳纳米墙的最佳质量比。结果表明电化学沉积时间为12min时

6、，即当氢氧化镍的担载量在0.4mg左右时，生成的氢氧化镍为β相，在23.1A/g的电流密度下，比电容为1534F/g；电极经过2000次恒流充放电循环后，比电容降为原来的46%左右。为了进一步提高复合材料电化学综合性能，在上述实验的基础上又分别采取2+2+掺钴和对基底进行脱气预处理的办法。实验表明：（1）当Co的摩尔含量为Ni的5%时，生成的是α-Ni(OH)2，呈现出厚度较为均匀的纳米薄片状结构，厚度约12nm，其性能最佳，其比电容可达2905F/g（23.1A/g电流密度下），经过2000次的循环充放电之后，其比电容保持率为69%；（2）对碳纳米墙基底进行脱气预处理后，获得了初始

7、比电容值较低，但在电化学充放电过程的激活作用下，无论是在比电容还是在循环稳定性上都得到了极大提高的复合电极材料。关键词：超级电容器，等离子体增强化学气相沉积，恒电流电沉积，垂直定向石墨烯（碳纳米墙），氢氧化镍，氢氧化钴，预处理IIAbstractDevelopmentofgreenenergyandseriouslyenvironmentalproblemsaremakingsupercapacitor,anewtypeofenergyconversion