鈷、釩氧化物-三維石墨烯復合納米材料的電化學儲能研究.pdf

1、現代科技的迅猛發展，越來越多的國家開始注重新型綠色能源的開發。然而新能源（太陽能、風能、潮汐能等）的間歇性限制了其大規模應用，所以研究高效的能源存儲技術迫在眉睫。已經廣泛應用的鋰離子電池具有能量密度高、輸出電壓高等特點，但是在大功率輸出方面存在不足，而超級電容器具備高功率密度和長循環壽命優勢，可有效彌補鋰離子電池的劣勢?；诖搜芯勘尘?，本論文的研究目標是設計合理的電極結構，提高其電化學儲能性質，并應用于超級電容器。首先，采用CVD方法制

2、備出能夠自支撐的三維石墨烯網絡結構，作為集流體；然后，采用水熱法在三維石墨烯表面生長一層活性材料，將其直接作為超級電容器電極進行電化學性能測試；最后將電極組裝成超級電容器，評估器件整體電化學儲能效果。文章的主要研究內容如下：
　　(1)利用CVD方法在1000℃下，生長出自支撐的三維石墨烯(3DG)網絡作為集流體。通過簡單的水熱方法，在其表面生長出包覆了銀量子點的Co3O4納米片前驅物，隨后退火得到Ag/Co3O4/3DG復合材料

3、。這樣的優勢是集流體與活性材料之間無需任何非活性的粘結劑，在減輕電極質量的同時又大大減小了界面電阻。對Ag/Co3O4/3DG復合電極進行各種電化學測試，計算得到在1mA cm-2的電流密度下，面電容值可達304mF cm-2，是未加銀的Co3O4/3DG電極的兩倍。Ag/Co3O4/3DG復合電極在4000次循環后達到面電容的最大值421mF cm-2，在10000循環后面電容仍保持約為120％。如此優越的性能不僅歸因于電極合理的結構

4、設計，而且Ag量子點包裹在Co3O4納米片中可有效提高Ag/Co3O4/3DG復合電極的導電性，從而大大增加電極的比電容，同時其倍率性能也獲得顯著提高。最后將Ag/Co3O4/3DG復合電極與AC電極成功組裝成非對稱電容器，該器件的面電容為53.3mF cm-2(1mA cm-2)，與此同時其能量密度可達26.7Wh kg-1，功率密度最高達15000W kg-1。將器件在2mA cm-2下充電30s后，可成功點亮紅色LED燈半小時。<

5、br>　　(2)利用Ag/Co3O4/3DG復合材料作為超級電容器電極的結構優勢，繼續采用石墨烯為集流體，并水熱法生長了電壓窗口更寬的釩氧化物。采用V2O5作為釩源，通過改變水熱前驅液中的十二胺濃度，利用十二胺的還原性以及V5+與V4+離子半徑的不同，成功地在三維石墨烯上生長出VOx納米帶及納米管形貌。VOx/3DG復合材料表現出良好的電化學性能，即1mA cm-1的電流密度下，其面電容值為225mF cm-2，當掃速速率由5mV s-

6、1增大到100mV s-1時，曲線形狀依然保持較好。同時對納米管形貌的電極進行2000次的循環充放電測試，面電容保持為最初值的76.7%，證明了此電極具有良好的電化學循環穩定性。
　　(3)對VOx/3DG復合材料進一步優化，改變水熱溶液中溶劑的配制，在三維石墨烯上均勻生長了一層由納米帶插接而成的更為均勻的VO2納米花，VO2納米花/三維石墨烯（VO2NFs/3DG）直接作為超級電容器電極，無需任何導電劑及粘合劑，降低了電極質量的

7、同時也降低了電極材料的電阻。同時三維石墨烯上均勻的VO2納米花結構增大了與電解液的接觸面積，由于VO2納米帶形成的納米花相互連接，有利于電解液離子的滲入并參與氧化還原反應，從而使得VO2NF/3DG復合電極表現出良好的電化學特性，其面電容可達到466mF cm-2(3mA cm-2)。對其進行3000次循環充放電測試以后，比電容保持為最初的63.5%，相比于其他釩氧化物文獻中的報道，VO2NFs/3DG復合電極的電容和循環穩定性都得到了