泡沫鎳載硫化物材料的制備及其超級電容器性能研究.pdf

1、由于不可再生礦物能源的日益衰竭、環境污染的日益嚴重，尋找和發展清潔高效可再生的儲能器件成為當前儲能領域研究的熱點。其中，超級電容器由于具有高的功率密度、良好的倍率性能、較長的循環壽命和環境友好等優點，被認為是最具有應用價值的電化學儲能器件之一。而在超級電容器的組成部分中，電極材料對電容器的電化學性能起到決定性的作用，因此制備環境友好、經濟安全和電化學性能良好的高性能電極材料是提高超級電容器性能的重要手段。但是，采用粉體材料制備超級電容器

2、電極時需要加入導電劑和粘合劑，會導致電極導電性降低、活性電極材料局部分散不均勻及活性物質不能與電解液充分接觸等問題，這些問題極大地影響了超級電容器的電化學性能。針對以上問題，本論文設計了將不同形貌結構的過渡金屬硫化物基電極材料直接生長在集流體表面，優化超級電容器的電化學性能。首先，以二/三元金屬硫化物為研究對象，開發新的合成路線和形貌結構，設計合成高性能的硫化物電極材料；再利用硫化物優異的特性，制備了硫化物與氧化物的復合異質結構電極材料

3、，這種異質結構發揮了兩者間的協同作用，表現出優異的電化學性能。除了本論文所介紹的新型電極材料在超級電容器領域的貢獻外，還希望文中所述的合成方法能為其它電極材料的制備和性能提升提供新的思路并應用在其他領域。具體主要研究內容如下：
　　在不添加鎳源、模板、表面活性劑的情況下，利用簡單的熱處理和水熱法，在泡沫鎳表面直接生長了三維樹狀 NiS納米片陣列結構，研究了其結構特征和形成機理。將這種特殊的樹狀 NiS納米片陣列結構作為超級電容器電

4、極材料進行了電化學測試，結果表明，該電極材料表現出較高的電容值(465.9 F g-1)和優異的循環穩定性(7000次循環后比電容值剩余101.7％)，這可能是因為 NiS納米片加快了電解質離子的快速氧化還原反應過程。這種在不添加鎳源的情況下，在泡沫鎳表面直接原位生長獨特形貌結構的 NiS材料的方法，為改善其他電極材料的電化學性能提供一種新的思路。
　　通過簡單的方法在泡沫鎳表面生成了交叉生長的粗糙CuS納米片陣列結構。發現在泡沫

5、鎳基底表面直接生長CuS納米片的方法可以有效的抑制CuS納米片的團聚。制備過程為：首先采用置換反應，以CuCl2為銅源在泡沫鎳表面生長出Cu立方塊單質層；然后通過水熱反應以硫粉作為硫源在泡沫鎳表面生成了交叉生長的粗糙CuS納米片陣列結構。所謂粗糙的CuS納米片是在尺寸較大的CuS納米片兩側垂直生長許多尺寸更小的 CuS納米片，具有較高的比表面積。這種獨特的結構優化了電化學過程中電子離子的轉移路徑，同時其較高的比表面積增加了電化學活性位點

6、。使CuS作為電極材料具有高達1124 F g-1的比電容值、良好的倍率性能和優異的循環穩定性(循環2000次后剩余原比電容值的90.7%)。這些優異的電化學性能使這種交叉生長的粗糙 CuS納米片材料作為電極材料在超級電容器領域有很好的應用前景。
　　利用水熱法，在泡沫鎳表面成功生成了花狀CuCo2S4納米片陣列結構。構成這種新型的花狀CuCo2S4的納米片是由無數窄小的納米片組成，非常有利于電解液與活性物質的接觸并且為電子和離子

7、的轉移提供有效路徑；同時直接生長在泡沫鎳表面的這種納米片陣列結構作為超級電容器電極材料可以使 CuCo2S4納米片與泡沫鎳之間有很好的連接情況和導電性。電化學測試表明，該電極材料具有較高比電容值(在5 mA cm-2下的比電容值為908.9 F g-1)，良好的倍率性能(從5 mA cm-2到30 mA cm-2有70.0%的比電容值剩余)和優異的循環穩定性(在30 mA cm-2下循環2000次后剩余原比電容值的91.1%)。為了進一

8、步測試電極材料的性能，將CuCo2S4作為正極材料，活性炭作為負極材料組裝成非對稱電容器，發現其具有較高的能量密度和優異的循環穩定性。
　　通過水熱法和熱處理，成功在泡沫鎳表面生成了分級的 NiCo2S4@NiMoO4核殼納米管陣列結構復合物。這種材料由NiCo2S4納米管內核和交叉的NiMoO4納米片外殼層組成。與單獨的NiCo2S4納米管相比，該NiCo2S4@NiMoO4復合物具有高達2006 F g-1比容量和更好的循環穩

9、定性，這可能是因為這種獨特的NiCo2S4@NiMoO4核殼納米管陣列結構充分利用了NiCo2S4和NiMoO4之間的協同作用、增加了電化學活性位點以及優化了在電化學反應過程中電子和離子的轉移路徑。采用 NiCo2S4@NiMoO4復合材料、活性炭物質分別作為正極材料、負極材料組裝成的非對稱電容器，表現出較高的能量密度。這些優異的電化學性能證明了 NiCo2S4@NiMoO4核殼納米管材料在超級電容器應用領域是一種非常有前景的電極材料。