多级结构过渡金属氧化物与硫化物超级电容器及其应用研究VIP

多级结构过渡金属氧化物与硫化物超级电容器及其应用研究随着各种中小型便携电子设备和新能源电动汽车的普及,对高能量密度,高功率密度和长循环寿命储电设备的需求越来越高。目前的便携储电设备主要以锂离子电池为主,但锂离子电池面临充电速度慢,循环寿命短,功率密度不足等缺点,难以继续满足人们对高性能储电设备的需求。超级电容器作为一种新兴的储电设备,基于快速的储能机制,能够弥补锂离子电池循环寿命短和功率密度不足的缺点,有望在未来储电领域发挥重要的作用。近年来,风能,太阳能,潮汐能等可再生绿色能源逐渐得到开发和使用,伴随而来的能量存储问题也亟需解决,风能,太阳能和潮汐能不像传统的水电和火电能够保持相对稳定的能量输出,而是具有显著的波动,直接进入电网会产生诸多问题,而采用化学能将其存储起来再重新分配成为一种解决方案。超级电容器在这方面具有先天的优势,或可与太阳能,风能等发电设备联用,解决电力的输送问题。多级结构纳米材料在电化学储能领域具有特殊的优势,多级结构进一步拓展了纳米材料的表面积,同时也形成了有效的电荷传输通道,是提高电极材料电化学性能的关键。本论文的主要研究内容是通过水热法在集流体上合成多级结构的纳米材料,克服粉状电极材料的相互团聚问题,从而改善电化学储能效果,本论文主要研究内容和成果如下:1、采用两步水热法合成了NiCo2O4@MnMoO4核壳结构纳米阵列,该结构以导电性优异的NiCo2O4作为核,MnMoO4作为壳,NiCo2O4纳米棒以阵列的形式直接生长在泡沫镍集流体表面。在该结构中,MnMoO4作为壳结构直接与电解液接触,发生电化学反应参与储能,NiCo2O4主要作为电荷的传输通道,同时暴露的部分与电解液接触也能参与电化学反应的储能。NiCo2O4@MnMoO4核壳结构不仅能够形成大表面积的多级核壳结构,同时核结构的NiCo2O4和壳结构的MnMoO4分工合作,产生协同作用。进一步组装成超级电容器原型器件,也显示出NiCo2O4@MnMoO4核壳结构具有良好的储能性能。2、采用两步水热法合成了多级结构的NiCo2O4纳米阵列,多级结构的NiCo2O4纳米阵列由NiCo2O4纳米棒作为核,NiCo2O4纳米片作为壳的同质核壳结构组成。相比于NiCo2O4纳米棒阵列,多级结构的纳米阵列具有更大的比表面积,同时还有效的引入了更多的活性材料,提高了单位面积上的活性材料负载,但又巧妙的解决了活性物质过多导致的堆积。相比于单纯的NiCo2O4纳米片,由于有了NiCo2O4纳米棒作为骨架,NiCo2O4纳米片可以有序的分布在三维空间中,避免了无序的堆叠,这样的结构对于高效的电化学反应十分有利。在电化学反应时,核壳结构中的NiCo2O4纳米棒和NiCo2O4纳米片均可以与电解质接触参与反应,NiCo2O4纳米棒直接生长在泡沫镍集流体上,本身还可以作为电子的高速传输通道,因此非常适合作为超级电容器的电极材料。3、采用两步水热法合成了具有多级结构的三维CoSx纳米网。三维CoSx纳米网由一维的CoSx在空间相互交织而成,一维的CoSx则由一根CoSx纳米线和其表面的CoSx褶皱组成。CoSx纳米线直接生在在泡沫镍集流体上,因而不需要添加导电剂和粘结剂即可直接用作电极。三维网络结构使得电极材料能够有效的与电解液充分接触,一维的CoSx则可以充当电子的传输通道。因此,这种三维网络结构的CoSx能够实现快速的电化学反应和电荷传输,实现优异的电化学性能。用三维CoSx纳米网组装成超级电容器后,我们也获得了性能优异的超级电容器原型器件。4、为了进一步探索超级电容器在频率器件领域的应用,我们研究了NiCo2O4//AC非对称超级电容器的滤波性能,非对称超级电容器使用NiCo2O4纳米阵列作为正极,活性炭作为负极,使用50Hz的市电频率作为研究对象。非对称电容作为频率器件的优点在于能够在较小的器件上获得较高的能量密度,缺点是响应速度不够快。我们采用高导电性的NiCo2O4纳米棒阵列作为电极材料,希望它能尽量实现较快的频率响应。结果显示,虽然最终输出的直流信号质量