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氧化镍及其复合物超级电容器的研究

作　者: 郭慧
导　师: 王君
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 应用化学
关键词: 氧化镍电极材料超级电容器水热法溶胶—凝胶法掺杂
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电化学超级电容器是一类在蓄电池和常规电容器之间的新兴的储能设备和器件，它与常规电容器相比具有更大的能量。与蓄电池相比，它又具有更长的充放电寿命和更大的比功率。目前通过电池和超级电容器混合的能源结构，能够提供持续和高功率密度输出，从而满足了混合动力型汽车运行的整个过程。它可以满足多种需求，例如：发动机的电动系统，如坦克，混合电动汽车，摩托车等，可减小设备容量，尤其在低温条件下，保证了其可靠的启动。超级电容器还应用于军事方向，如微波，激光武器及提供MW的特大发动功率。使新概念武器的得到进一步发展。超级电容器还可用作备用电源，如电脑，电话，电视机和DV等设备。因此对于具有较好电化学性能的电极材料的开发已经成为了目前研究的热点。至今研究的材料中，RuO2·xH2O的比容量可高达720F·g-1，被广泛认为是最优秀的超级电容器材料。但是由于存在稀少、矿藏有限使它难以在各方面深入研究。氧化镍电极材料是目前研究较多的电化学电容器用电极材料，由于它比电容比较高理论值可达2400F·g-1以上，而且相当的廉价等优点。本文选用了氧化镍材料进行研究。电容器正极材料的电性能测试手段可采用交流阻抗，恒电流充放电，循环伏安等测试方法，粉末的表面形貌可以用扫描电镜(SEM)来和透射电镜(TEM)来测定，晶体性能则用X-射线衍射仪(XRD)进行测定。实验的第一部分采用水热法制备了氧化镍(NiO)粉末正极材料，并通过X射线衍射仪(XRD)，扫描电镜(SEM)和电化学测量等手段对NiO的制备方法，电容的反应机理和表面活性剂的作用进行了初步的理论研究。NiO通过在电极表面发生氧化还原反应:NiO+OH-→NiOOH+e-来储存电荷，因此电极物质的比表面积也是十分重要的因素，它可以使电解液与活性物质得到充分的接触，从而提高氧化还原反应的效率。NiO的理论电压范围在-0.2V～0.6V，本文采用的范围为0V～0.4V进行测试。考察了阴阳离子及非离子表面活性剂对氧化镍形貌的影响，结果发现：在表面活性剂中，阴离子表面活性剂比阳离子和非离子表面活性剂更能提高NiO的比表面积从而提高它的比电容。第二部分采用溶胶-凝胶法制备NiO电极材料，并且把得到的绿色胶状前驱体在400℃下焙烧从而得到黑色产物NiO。最后考察壳聚糖添加剂对NiO电极材料形貌和电化学性能的影响。最后一部分采用不同的元素对NiO材料进行掺杂，考察了铝，钴和锰对氧化镍的影响和其不同掺杂量对NiO电极材料的影响。结果发现：钴元素的掺杂比铝和锰元素对NiO电容的提高更明显。进而对钴元素的含量进行了探究，其中掺杂量在5%以下的随着含量的增加，比电容也相应增加。掺杂量超过5%时随着添加量的增加，比电容反而下降。原因是由于钴的掺杂扩大了赝电容的形成区域，从而提高了比电容。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 引言  12
  1.2 超级电容器简介  12-13
  1.3 超级电容器的电极材料类型  13-15
    1.3.1 碳材料  13-14
    1.3.2 金属氧化物材料  14-15
    1.3.3 导电聚合物  15
  1.4 超级电容器的用途  15-17
  1.5 超级电容器的市场前景  17
  1.6 超级电容器工作原理和结构  17-21
    1.6.1 超级电容器的基本原理  17-19
    1.6.2 超级电容器结构  19-21
  1.7 本论文的选题和研究内容  21-22
第2章实验材料和表征方法  22-28
  2.1 实验试剂及仪器  22-23
    2.1.1 主要试剂  22-23
    2.1.2 主要仪器及设备  23
  2.2 实验方法与过程  23-24
    2.2.1 水热法制备氧化镍  23
    2.2.2 溶胶 - 凝胶法制备氧化镍  23-24
    2.2.3 电极材料的制备  24
    2.2.4 电容器的组装  24
  2.3 实验产物分析测试  24-26
  2.4 本章小结  26-28
第3章水热法制备氧化镍及其电容特性的研究  28-42
  3.1 概述  28
  3.2 NiO 电极材料的制备方法  28-29
    3.2.1 NiO 的制备方法  28-29
    3.2.2 工作电极的制备  29
  3.3 前驱体的热重分析  29-30
  3.4 前驱体和氧化镍的结构表征  30
  3.5 添加不同类型表面活性剂对 NiO 电极材料性能的影响  30-39
    3.5.1 添加剂对 NiO 电极材料形貌的影响  30-31
    3.5.2 电化学性能测试  31-34
    3.5.3 添加阴离子表面活性剂对氧化镍电极材料的影响  34-38
    3.5.4 不同质量阴离子表面活性剂对 NiO 比电容的影响  38-39
    3.5.5 不同温度电解液对阴离子表面活性剂 NiO 比电容的影响  39
  3.6 本章小结  39-42
第4章溶胶- 凝胶法制备氧化镍及其电容性的研究  42-52
  4.1 概述  42
  4.2 溶胶 - 凝胶的制备方法  42-43
  4.3 产物的形貌结构表征  43-44
    4.3.1 样品的 X R D 表征  43
    4.3.2 样品的形貌测试  43-44
  4.4 样品的电化学测试  44-47
    4.4.1 循环伏安测试  44
    4.4.2 电化学阻抗谱  44-45
    4.4.3 恒电流充放电测试  45-47
  4.5 壳聚糖对氧化镍电极材料的影响  47-50
    4.5.1 壳聚糖对氧化镍形貌的改变  47-48
    4.5.2 壳聚糖对氧化镍电极循环伏安的影响  48-49
    4.5.3 壳聚糖对氧化镍阻抗的影响  49
    4.5.4 壳聚糖对氧化镍比电容的影响  49-50
  4.6 本章小结  50-52
第5章 NiO 的掺杂改性研究  52-66
  5.1 概述  52
  5.2 掺杂 NiO 的制备方法  52-53
  5.3 铝掺杂 NiO 的改性研究  53-57
    5.3.1 铝掺杂 NiO 的 XRD 分析  53
    5.3.2 铝掺杂 NiO 的 SEM 分析  53-54
    5.3.3 元素含量测定（ICP）  54
    5.3.4 铝掺杂 NiO 的电化学性能研究  54-57
  5.4 钴掺杂 NiO 的改性研究  57-61
    5.4.1 钴掺杂 NiO 的 XRD 分析  57-58
    5.4.2 元素含量测定 (ICP )  58
    5.4.3 钴掺杂 NiO 的电化学性能研究  58-61
  5.5 锰掺杂 NiO 电极材料的改性研究  61-64
    5.5.1 锰掺杂 NiO 的 XRD 分析  61
    5.5.2 元素含量测定 (ICP )  61
    5.5.3 锰掺杂 NiO 的电化学性能研究  61-64
  5.6 本章小结  64-66
结论  66-68
参考文献  68-75
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  75-76
致谢  76

氧化镍及其复合物超级电容器的研究

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