钴酸锌和氢氧化镍在超级电容器中的应用

摘要

目前而言，能源存储器件，尤其是超级电容器，已经在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，特别是在电子器件、微型探测器等等领域。本文以钴酸镍作为电极材料，设计了一种新型柔性纤维超级电容器。此外，我们还利用二维材料-Ni(OH)2作为电极材料制备了柔性平面微型超级电容器。所取得的主要研究成果可以归纳如下:
　　(1)在不添加任何催化剂和模板的条件下，利用简单的水热反应法，制备出了具有一维结构的ZnCo2O4纳米棒。然后我们用长有ZnCo2O4纳米棒的镍丝作为工作电极，分别以铂片和甘汞电极作为对电极和参比电极，以3 M KOH作为电解液，组合成电化学三电极体系测试系统对其进行电化学性能测试。测试结果显示ZnCo2O4电极材料在0-0.45 V的电压窗口内有一对明显的氧化还原峰，说明ZnCo2O4具有优异的赝电容性能。此外，从图像中可看到氧化还原峰具有良好的对称性，不仅证明了该电极材料具有稳定性，而且在KOH电解液中所发生的氧化还原反应高度可逆。这都得益于生长在镍丝上的纳米材料为一维纳米棒状结构。综上可知，ZnCo2O4作为一种电极材料由于具备良好的电化学性能，可广泛的应用于超级电容器的制备中。
　　(2)为了进一步评估ZnCo2O4超级电容器的实际应用价值，我们直接用镍丝组装成了纤维状超级电容器。二电极体系下，在扫率为30 mV/s时得到比电容为10.9 F/g。能量密度高达76 mWh/kg，而且功率密度达到了1.9 W/kg。在2mA情况下，经过3500次充放电测试，其电容保持率高达92％。与此同时，我们在不同弯曲状态下(30°，45°，60°，90°)测试其性能，发现电化学性能几乎没有发生改变，表明了我们的器件具有良好的柔性。结合材料良好的电化学性能，简单易制备的特点，可见ZnCo2O4在超级电容器中具有很好的应用价值。此外，通过缩短金属丝基底的长度，纤维器件也可以变短，易编织，在可穿戴设备中也具有广泛的应用前景。
　　(3)在不添加任何催化剂的条件下，利用简单的水热反应法，合成了二维片状结构的Ni(OH)2。我们用涂有Ni(OH)2纳米片的泡沫镍作为工作电极，分别以铂片和甘汞电极作为对电极和参比电极，2M NaOH作为电解液，组合成三电极体系对其进行性能测试。测试发现，Ni(OH)2纳米片在0-0.45 V的电压区间内有一对很明显的氧化还原峰具有良好的赝电容性能，其峰值分别在0.3-0.35 V和0.2-0.25 V区间内。从CV曲线高度对称中，我们可以看到在NaOH电解液的Ni(OH)2纳米片发生着高度可逆反应，说明了Ni(OH)2具有良好的电化学稳定性。从上可以看到Ni(OH)2由于具备良好的赝电容特性，在超级电容器中应用潜力巨大。
　　(4)为了满足微型功能系统和微型医药机器人的应用，我们通过光刻显影法用Ni(OH)2作为电极材料组装了柔性平面微型超级电容器。二电极体系下，在扫率为100 mV/s时得到比电容为8.80 F/g，在进行10000次循环时电容损失率仅仅为0.2％。此外，该微型器件能量密度高达0.59 mWh/cm3，而且功率密度达到了1.80 W/cm3，与传统石墨烯微型超级电容器相持平。在不同弯曲状态下进行柔性测试，发现其具有优异的电化学稳定性，说明了以Ni(OH)2作为电极材料的微型超级电容器可以作为能量存储单元驱动诸如传感器一类的可穿戴功能器件。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器概述

1．2．1 超级电容器的历史由来

1．2．2 超级电容器的特点

1．2．3 超级电容器的工作原理

1．3 电极材料常见的制备方法

1．3．1 水热法

1．3．2 微波法

1．3．3 静电纺丝法

1．3．4 电化学沉积法

1．3．5 化学浴沉积法

1．3．6 化学气相沉积法

1．4 常见的电极材料研究进展

1．4．1 炭材料

1．4．2 无机金属纳米材料

1．4．3 高分子聚合物

1．5 常见的基底

1．5．1 泡沫基底

1．5．2 有机柔性基底

1．5．3 纤维基底

1．5．4 其它基底

1．6 超级电容器结构

1．7 柔性超级电容器研究进展

第二章 实验原理及方法

2．1 试验主要药品及主要仪器

2．1．1 实验主要药品

2．1．2 实验主要仪器

2．2 超级电容器测试方法

2．2．1 超级电容器电极制备

2．2．2 固态电解液的制备

2．2．3 电极测试

2．3 超级电容器计算公式

第三章 钴酸锌纳米棒在纤维状超级电容器中的研究

3．1 引言

3．1．1 电极互相缠绕法

3．1．2 电极单根缠绕法

3．1．3 电极平行排列法

3．1．4 ZnCo2O4电极材料的研究

3．2 ZnCo2O4电极材料的制备

3．3 ZnCo2O4电极材料表征及性能测试

3．3．1 ZnCo2O4米形貌表征

3．3．2 ZnCo2O4米材料的电化学测试

3．4 纤维状ZnCo2O4超级电容器的制备

3．5 纤维状ZnCo2O4超级电容器的电化学性能测试

3．6 纤维状ZnCo2O4超级电容器柔性性能测试

3．7 本章小结

第四章 氢氧化镍纳米片在平面微型超级电容器中的研究

4．1 引言

4．1．1 模板合成法

4．1．2 激光还原法

4．1．3 光刻显影法

4．1．4 氢氧化镍电极材料的研究

4．2 Ni(OH)2电极材料的制备

4．3 Ni(OH)2电极材料表征及性能测试

4．3．1 Ni(OH)2纳米形貌表征

4．4 Ni(OH)2平面微型超级电容器制备流程示意图

4．5 Ni(OH)2纳米片三电极测试

4．5．1 Ni(OH)2电极的制备

4．5．2 Ni(OH)2三电极测试

4．6 平面微型超级电容器二电极测试

4．6．1 平面微型超级电容器电化学性能测试

4．6．2 平面微型超级电容器实际性能测试

4．6．3 平面微型超级电容器对照实验测试

4．7 平面微型超级电容器集成

4．8 本章小结

第五章 论文工作总结

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

声明