泡沫镍/金属钴酸盐复合电极的制备及其超级电容性能研究开题报告
2022-01-05 09:01
全文总字数：4790字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，随着传统不可再生能源的日益枯竭，可再生能源渐渐的占据能源中重要的地位。然而如何有效的储存和转换这些新能源，将成为新能源产业发展中的关键环节。研究和开发出具有高功率，高功效，高能量的环境友好型储能设备显得尤为重要。超级电容器因为使用寿命长，对环境无污染，超大容量，快速的充放电速度，循环稳定等特点进入了人们的研究课题中。
与其他国家相比，我国在超级电容器的研究方面起步较晚，仅始于上个世纪九十年代末，在优化超级电容器的制作工艺如：研发各类拥有高能量密度、较长循环寿命及功率密度较高的活性电极材料和探求合适的电解液中，我国处于劣势地位。根据不同的储能机理，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。其中，双电层电容器主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。法拉第准电容器主要是通过法拉第准电容活性电极材料（如过渡金属氧化物和高分子聚合物）表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容，从而实现对能量的存储与转换。。
本文中通过水热合成法在处理过的泡沫镍基底上构建纳米分级异质结构，制备泡沫镍基钴酸盐，硫代钴酸盐复合电极材料。研究不同金属离子对电极性能的影响，通过xrd、 sem、tem对样品表面结构进行分析，通过cv、cp、eis等研究样品的电化学性能。从而在寻找更合适的活性电极材料上迈出一步。国内外研究现状
双电层超级电容器中的电极材料，通常为碳材料颗粒，不具有电化学活性。也就是说在双电层超级电容器充放电的过程中在电极材料上并没有发生化学反应，而是在电极和电解液之间发生单纯的物理电荷聚集。法拉第准电容器电极材料通常为过渡金属氧化物或氢氧化物，具有化学活性，在充放电的过程中电极与电解液发生氧化还原反应，因此法拉第准电容器能够在充放电的过程中直接储存电荷。从本质上说，双电层电容仍属于静电电容，而法拉第准电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附或氧化还原反应。化学吸脱附机理一般过程为：电解液中的离子在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极溶液界面，而后通过界面电化学反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中。由于电极材料采用的是具有较大比表面积的氧化物，这样就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来。在电极面积相同的情况下，法拉第准电容的比电容可以是双电层电容的 10~100 倍
2. 研究的基本内容
1) 以相同大小的泡沫镍为基底，控制反应温度和ph值以及复合材料离子的浓度，通过水热合成法来制备复合了钴酸盐的电极材料；
2) 同样的将生长了钴酸盐的泡沫镍为基底，控制反应温度和ph值以及浓硫酸的浓度，通过水热合成法来制备复合了硫代钴酸盐的电极材料；
3) 样品制备完成后，通过xrd、 sem、tem对样品表面结构进行分析，通过cv、cp、eis等研究样品的电化学性能。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
实行方案：根据实验室的实验条件，我们将使用水热合成法来制取分别泡沫镍/钴酸盐，泡沫镍/硫代钴酸盐复合电极材料。
水热合成法是指在高温高压下，在水(水溶液)或水蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。水热条件下，水作为溶剂和矿化剂，同时液态或气态的水是传递压力的媒介，促使反应在液相或气相中进行。
进度安排：
4. 参考文献
| [1]梁坤．NiO纳米复合结构的制备及超级电容器性能研究[D]．成都电子科技大学博士学位论文，2015． [2]徐静．自支撑（氢）氧化镍电极的制备及其超级电容性能研究[D]．重庆大学硕士学位，2015． [3]常建霞．镍基超级电容器复合材料的制备及其性能的研究[D]．中北大学硕士学位论文，2016． [4]马骏．泡沫镍/金属氧化物复合电极的制备及其电化学性能研究[D]．中北大学硕士学位论文，2016． [5]姜洋．泡沫镍基原味自生长NiO及NiO复合材料及其电化学性能的研究[D]．吉林大学硕士学位论文，2015． [6]杜建功，李艳芳等．叶片状Co3O4的制备及其电化学性能[J]．微纳电子技术，2016，53（10）：645． [7]张杰，许家胜等．钴酸锰/泡沫镍复合电极材料的制备及其电化学性能研究[J]．电子元件与材料，2015，35（1）：78-79． [8] Siwen Zhang，Bosi Yin，Zhenbo Wang，Feng Peter．Super long-life all solid-state asymmetric supercapacitor based onNiO nanosheets and α-Fe2O3 nanorods[J]．Chemical Engineering Journal，2016，7(57) ：193–203． [9]Chunyu Cui，Jiantie Xu，Lei Wang，et al．Growth of NiCo2O4@MnMoO4 Nanocolumn Arrays with Superior Pseudocapacitor Properties[J]．ACS Applied MaterialsInterfaces，2016，8：85688575． [10] Minglei Yan，Yadong Yao，Jiqiu Wen，et al．Construction of a Hierarchical NiCo2S4@PPyCoreShell Heterostructure Nanotube Array on NiFoam for a High-Performance Asymmetric Supercapacitor[J] ．ACS Applied MaterialsInterfaces，2016，8：2452524535． [11] Shusheng Xu，Xiaolin Li，Zhi Yang，et al．Nanofoaming to Boost the Electrochemical Performance of Ni@Ni(OH)2 Nanowires for Ultrahigh Volumetric Supercapacitors[J] ．ACS Applied MaterialsInterfaces，2016，8：2786827876． [12] Baogang Zhu，Shaochun Tang，et al．Hierarchically MnO2Nanosheet Covered Submicrometer-FeCo2O4 Tube Forest as Binder-FreeElectrodes for High Energy Density All-Solid-State Supercapacitors[J] ．ACS Applied MaterialsInterfaces，2016，8：47624770．
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