超级电容器电极材料——钴、镍氢氧化物的制备及其电化学性能

论文摘要

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。它比传统电容器具有更高的能量密度,比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命,所以超级电容器在移动通讯、信息技术、航天航空和国防科技等诸多领域显示出了广泛的应用前景。电极是超级电容器的重要组成元件,而电极材料又是构筑电极的重要组分,因此,具有良好电化学性能的电极材料的研发对超级电容器的发展起着至关重要的作用。本文从多方面概述了超级电容器,并且制备相关的电极材料。利用现代分析测试手段对电极材料的形貌、晶型和组成等进行了表征,采用循环伏安法（CV）、恒电流充放电和电化学阻抗（EIS）等方法对材料的电化学性能进行了测试。全文分为四章,主要内容概括如下:第一章:概述了超级电容器的发展历史、结构组成、分类和工作原理、特点及其应用,重点介绍了超级电容器的电极材料——炭基材料、金属氧化物和导电聚合物等方面的研究进展。第二章:对本论文所涉及的电化学测试方法,即循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法的概念、原理等作了扼要介绍。第三章:通过柠檬酸前驱体方法成功地合成了片状Co（OH）2。采用FT-IR、TG等手段对前驱体进行了分析,采用SEM、FT-IR和XRD等手段对合成的片状Co（OH）2进行了表征。用纯Co（OH）2和前驱体分别制备了工作电极,并用循环伏安和恒电流充放电等测试方法对它们的电化学性能进行了研究。结果表明:用在120℃、150℃、200℃、250℃四种温度下的前驱体制得的纯Co（OH）2来制备电极材料,其比电容分别为366.7F/g、383.8 F/g、406 F/g、416.7 F/g。直接用在120℃、150℃、180℃、200℃四种温度下得到的前驱体来制备电极材料,Co（OH）2的比电容分别为1276 F/g、1054 F/g、795 F/g、704 F/g。第四章:利用接枝羧基淀粉（ISC）对金属离子的强吸附性能,合成了接枝羧基淀粉氢氧化物电极材料——Ni（OH）2/ISC和Co（OH）2/ISC。采用SEM、FT-IR和TG等手段对材料的形貌、组成和热稳定性进行了分析。通过循环伏安、恒电流充放电等方法对两种复合物的电化学性能进行了测试。结果表明:Ni（OH）2/ISC复合电极材料具有良好的可逆性。在扫描速率为5mV/s时,氧化峰与还原峰的峰位差达到0.066 V,接近于可逆的单电子转移反应的理论值。Co（OH）2/ISC复合电极材料表现出良好的电容特性,Co（OH）2比电容达到2070 F/g。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器的发展历史
• 1.3 超级电容器的基本结构
• 1.4 超级电容器的分类及其工作原理
• 1.4.1 超级电容器的分类
• 1.4.2 超级电容器的工作原理
• 1.4.2.1 双电层电容储存原理
• 1.4.2.2 法拉第准（赝）电容的储存原理
• 1.5 超级电容器的特点及其应用
• 1.6 超级电容器电极材料的研究现状
• 1.6.1 碳电极材料
• 1.6.2 金属氧化物
• 1.6.3 导电聚合物
• 1.7 立题依据和研究内容
• 1.7.1 立题依据
• 1.7.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 超级电容器电化学性能的测试方法
• 2.1 引言
• 2.2 电化学方法
• 2.2.1 循环伏安测试
• 2.2.2 恒电流充放电测试
• 2.2.3 电化学阻抗测试
• 2.2.4 其他测试方法
• 参考文献
• 第三章 片状氢氧化钴的制备及其电化学电容的研究
• 3.1 引言
• 2的结构及其制备方法'>3.1.1 Co（OH）₂的结构及其制备方法
• 2的性质概论'>3.1.1.1 Co（OH）₂的性质概论
• 2的结构'>3.1.1.2 Co（OH）₂的结构
• 2的制备方法'>3.1.1.3 Co（OH）₂的制备方法
• 3.1.2 溶胶—凝胶法
• 3.1.2.1 溶胶—凝胶法的基本原理
• 3.1.2.2 溶胶—凝胶法的工艺过程
• 3.1.2.3 溶胶—凝胶法的特点
• 2的制备及其电化学电容'>3.2 Co（OH）₂的制备及其电化学电容
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.1.1 主要试剂和仪器
• 2的制备'>3.2.1.2 Co（OH）₂的制备
• 3.2.1.3 电极材料的制备
• 3.2.2 电化学性能测试方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.3.1 TG-DTA 分析
• 3.2.3.2 FT-IR 分析
• 3.2.3.3 XRD 分析
• 2的FESEM分析'>3.2.3.4 Co（OH）₂的FESEM分析
• 2制备的电极）'>3.2.3.5 电化学性能测试（纯Co（OH）₂制备的电极）
• 3.2.3.5.1 循环伏安测试
• 3.2.3.5.2 恒电流充放电测试
• 2电极的稳定性测试'>3.2.3.5.3 Co（OH）₂电极的稳定性测试
• 3.2.3.6 电化学性能测试（用前驱体直接制备的电极）
• 3.2.3.6.1 循环伏安测试
• 3.2.3.6.2 恒电流充放电测试
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 以接枝羧基淀粉为载体合成电极材料 及其电化学性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 接枝羧基淀粉
• 4.2.1 淀粉的有关概念
• 4.2.2 变性淀粉
• 4.2.3 接枝共聚淀粉的概念及其合成方法
• 4.2.4 接枝共聚淀粉的性质和用途
• 4.2.5 接枝羧基淀粉的制备
• 4.2.5.1 实验试剂
• 4.2.5.2 实验步骤
• 4.2.5.3 红外分析
• 4.3 Ni（OH）2/ISC和Ni（OH）2/CISC复合电极材料的制备及其循环安特性
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.1.1 主要试剂和仪器
• 4.3.1.2 Ni（OH）2/ISC和Ni（OH）2/CISC复合电极材料的制备
• 4.3.2 表征
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.3.1 SEM分析
• 4.3.3.2 红外光谱分析
• 4.3.3.3 差热和热重分析
• 4.3.3.4 电化学性能测试
• 4.3.3.4.1 循环伏安测试
• 4.3.3.4.1.1 Ni（OH）2/ISC复合电极
• 4.3.3.4.1.2 Ni（OH）2/CISC复合电极
• 4.3.3.4.2 Ni（OH）2/ISC和Ni（OH）2/CISC复合电极的交流阻抗图
• 2/ICS复合电极材料的制备及其电化学性能'>4.4 Co（OH）₂/ICS复合电极材料的制备及其电化学性能
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.1.1 主要试剂和仪器
• 2/ISC复合电极材料的制备'>4.4.1.2 Co（OH）₂/ISC复合电极材料的制备
• 4.4.2 工作电极的制备及其电化学性能测试方法
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.4.3.1 SEM分析
• 4.4.3.2 循环伏安测试
• 4.4.3.3 恒电流充放电测试
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的文章