高比能自支撐復(fù)合電極的制備、表征及超電容性能的研究.pdf

1、超級電容器(supercapacitors)也稱為電化學(xué)電容器，是一種基于高比表面積的碳材料，導(dǎo)電聚合物以及過渡金屬氧化物，硫化物等為電極材料的儲能裝置。與傳統(tǒng)的電容器不同，其通過電極和電解液之間的界面上的靜電吸附以及電極表面或者是內(nèi)部可逆的氧還原反應(yīng)來儲存電荷。其具有高功率密度，良好的可逆性和較長的循環(huán)壽命，較高的充放電效率，維護(hù)費用低等特點，在軍事和民用方面有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在新能源汽車的使用上，更是有著很重要的戰(zhàn)略地位。本

2、文通過以柔性碳材料如摻氮石墨烯/碳納米管薄膜，碳布為基底，通過水熱反應(yīng)來制備三元金屬氧化物和硫化物，制備了性能優(yōu)異的電極材料，并將其應(yīng)用于水系混合超電容，得到了優(yōu)良的電化學(xué)性能，為高能量密度，高功率密度超級電容器提供了理論和科學(xué)依據(jù)。
　　主要研究包括：
　　(1)通過水熱合成以及惰性氣體氛圍中高溫煅燒的辦法，在三維層狀結(jié)構(gòu)的氮摻雜的石墨烯/碳納米管薄膜（NGN/CNTs）上合成了均勻分散的ZnCo2O4納米花。該納米花的平

3、均直徑為4μm，由尺寸小于100nm的花瓣組成。該ZnCo2O4/NGN/CNTs膜可以直接用作柔性電極，其比電容在電流密度為1 A/g時高達(dá)1802 F/g，并且擁有極好的循環(huán)穩(wěn)定性（在電流電流密度10 A/g下充放電4000次后，比電容幾乎零損失）。摻氮石墨烯/碳納米管薄膜構(gòu)成的3 D結(jié)構(gòu)，有著較大的比表面積，可以提供大量的反應(yīng)活性位點。石墨烯/碳納米管為基底的薄膜可以保證有較高的導(dǎo)電率和良好的倍率性能。同時，我們使用ZnCo2O4

4、/NGN/CNTs薄膜做正極，NGN/CNTs膜做負(fù)極，裝配了水系非對稱超級電容器，該電容器擁有較寬的電壓窗口（0-1.5V），優(yōu)良的比電容（119 F/g在0.5A/g），很高的能量密度（≈37.19Wh/kg在750 W/kg）和功率密度（≈15kW/kg在14.16Wh/kg）。
　　(2)以質(zhì)量輕且柔性較好的碳布為基底，通過水熱制備鋅鈷前驅(qū)體然后硫化得到Zn0.76Co0.24S/碳布復(fù)合材料，大大簡化電極制備工藝。碳布不

5、僅僅支撐活性材料還作為集流體，同時為電荷傳輸提供了快速通道并避免使用導(dǎo)電材料和粘合劑。將納米電極材料生長在碳基材料上可增大電活性材料的有效接觸面積和增強電子與電解液離子在器件中傳輸效率，體現(xiàn)出了離子擴散阻抗低和倍率性能優(yōu)異。表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率特性(5A/g時比電容值為1634F/g，50 A/g時電容為1350F/g)和循環(huán)穩(wěn)定性。以Zn0.76Co0.24S/碳布復(fù)合材料復(fù)合材料為正極，摻氮石墨烯/碳納米管薄膜電極(NGN/CNTs)為

6、負(fù)極，組裝了水系非對稱超級電容器，詳細(xì)研究了該水系非對稱超級電容器的超電容性能。構(gòu)建的Zn0.76Co0.24S/碳布復(fù)合材料//NGN/CNTs非對稱超級電容器在功率密度為776.72W/kg時，能量密度為39.83Wh/kg。
　　(3)通過先水熱合成鈷酸鋅前驅(qū)，后在氬氣中高溫煅燒，最后再次水熱硫化的辦法，在三維層狀結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯/碳納米管（NGN/CNTs）上合成了成片狀交聯(lián)硫鈷鋅。由于硫元素的電負(fù)性比氧元素小，有利于加