碳化硅納米線及金屬氧化物-氫氧化物復合材料在超級電容器中的應用研究.pdf

1、超級電容器是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能設備，其具有高功率密度、高循環(huán)穩(wěn)定性等的優(yōu)點，但是超級電容器的能量密度較低，因此，如何從電極材料等的角度提高超級電容器的比電容和能量密度是目前該領域研究的熱點。本論文通過化學氣相沉積法和電化學沉積法等方法制備得到碳化硅納米線和金屬氧化物/氫氧化物納米結構及兩者的復合材料，充分發(fā)揮兩類材料的優(yōu)點，并研究基于這些材料的超級電容電極的電化學性能，具體來說包括以下內(nèi)容。
　　1.通過化學氣

2、相沉積法直接在碳纖維布上生長碳化硅納米線，得到碳化硅納米線/碳纖維布超級電容電極。碳纖維布作為導電性優(yōu)良的襯底（集流極），碳化硅納米線的直徑在50 nm左右，擁有較高的比表面積，并直接生長在碳纖維布表面。該電極在室溫下，50 mV s-1的掃描速率下獲得了高達23 mF cm-2的面積比電容，且比電容隨著電解液溫度的升高而增加，這是由溫度升高所致的離子擴散阻抗降低導致的。由于碳化硅納米線以及碳纖維布都具有很好的結構穩(wěn)定性，因此不論是在室

3、溫下還是在稍高的60℃下，該超級電容電極都表現(xiàn)出了很好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過105次的循環(huán)依然保持了接近初始狀態(tài)的電容值。
　　2.通過陽極電化學沉積法在經(jīng)過鈍化的三維泡沫鎳表面沉積多孔結構的鎳氧-氫氧化物薄膜。泡沫鎳作為堿性電解液超級電容的集流極時，可能帶來計算誤差，從而影響對沉積在其表面的有效物質(zhì)電化學特性的評判。因此，本文提出了在有限氧環(huán)境中的高溫退火方法，在泡沫鎳表面形成一層致密的低化學活性氧化鎳保護層，對泡沫鎳起到一個鈍化作

4、用，減小其電化學信號。通過陽極電化學方法在其表面沉積的鎳氧-氫氧化鎳薄膜具有開放式的多孔結構。該三維結構超級電容電極能夠有效的使電解液擴散到整個電極內(nèi)部，并且縮短了離子的擴散距離，從而提高了該電極表面鎳氧-氫氧化鎳多孔薄膜的比電容（1 A g-1)的電流密度下獲得了2302 Fg-1的比電容）以及相應的能量密度。并且該電極表現(xiàn)出了不錯的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　3.通過化學氣相沉積法和陰極電化學沉積法制備得到碳化硅納米線/氫氧化鎳薄膜的核

5、-殼復合結構。生長在碳纖維布上的碳化硅納米線形成一個三維的網(wǎng)絡結構，氫氧化鎳薄膜均勻覆蓋在它的表面。該復合結構能夠提高單位面積上活性物質(zhì)的沉積質(zhì)量，并提高氫氧化鎳薄膜的比電容，從而提高電極整體的電化學性能。該納米復合結構中的氫氧化鎳活性物質(zhì)在高達100Ag-1的電流密度下依舊擁有1412F g-1的比電容。相應的功率特性也很優(yōu)異，在100Ag-1的電流密度下，兼具了較高的功率密度(27.5 kW kg-1)和能量密度(59.4 Wh k

6、g-1)。另外，通過用有機電解液替代水性電解液得到固態(tài)電容器，可以有效提高電容的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　4.通過化學溶液沉淀法和電化學沉積法在碳化硅納米線表面沉積二氧化錳薄膜，得到碳化硅納米線/二氧化錳薄膜的核-殼復合結構。碳化硅納米線在該復合結構中起到了減小電化學轉換阻抗的作用，從而提高其表面沉積的二氧化錳薄膜的比電容，在1 Ag-1的電流密度下，該復合材料電極中二氧化錳的比電容達到了500 F g-1左右，比直接將二氧化錳沉積在沒有