石墨烯包覆硫化镍超级电容器复合材料性能研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wjjcj
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近年来,化石能源所带来的能源危机和环境污染迫使着全球各国逐渐转向以太阳能、风能、潮汐能等新型绿色能源作为基本能源。然而原有的能源储存设备已无法满足新型绿色能源的应用。此外,随着经济的发展,智能化便携式设备的需求不断增加也促进了新型能源储存装置的发展。其中超级电容器作为一种新型的能源存储设备,不仅继承了传统电容器原有的高功率、寿命长等优点,还具有很高的能量密度,因此超级电容器在能源存储领域方面极具应用潜力。赝电容器作为超级电容器的一种,是通过快速可逆的化学反应来存储电能,具有比传统电容器更高的能量密度。近年来,在众多可用的赝电容材料中,纳米结构金属硫化物MSX(如M=Ni,Cu,Mo…)由于其优良的物理化学性质和良好的电化学性能已经成为前途广阔的电极材料。其中作为赝电容器电极材料的Ni3S2具有理论比电容高、循环寿命长、原材料丰富且环境友好等优点,但由于Ni3S2本身内阻较高和易于团聚等因素限制了其在能量储能领域的广泛应用。通常为了缓解上述问题,除了通过合理设计Ni3S2电极材料的纳米结构外,还将其与导电性良好的石墨烯复合,以降低电极材料的内阻而提高其电化学性能。本文首先以不同的基底制备得到二维纳米片阵列结构的氢氧化镍,采用改进Hummers法制备出高质量的氧化石墨烯,以物理包覆的方式将石墨烯负载到氢氧化镍上,最终以离子交换法制备得到石墨烯包覆硫化镍复合材料。本文采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱和能谱仪等技术手段对石墨烯以及复合电极材料进行结构表征;利用循环伏安测试、恒流充放电以及交流阻抗对石墨烯及复合电极材料进行电化学性能测试,研究了石墨烯包覆硫化镍电极材料的电化学性能。结构测试结果表明:在不同基底表面上合成了均匀分布的二维纳米片阵列结构的硫化镍,且石墨烯包覆硫化镍表面。首先该结构具有较好的电化学稳定性,其次具有较好的离子和电子传输性,此外,二维纳米片阵列结构具有较高的比表面积,有利于电化学反应的进行。同时石墨烯的介入,可以为活性物质提供更快的电子传输通道。电化学测试表明:石墨烯硫化镍复合电极拥有可观的电化学性能。其中以碳布为基底的复合电极在电流密度为2 mA cm-2时,比电容达到了1910 mF cm-2,经1000圈循环后比容量仍保留100%。在石墨烯硫化镍复合材料中,虽然石墨烯本身提供的比电容量极少,但由于石墨烯的介入,复合材料相对于单纯的硫化镍电极具有更好的电化学性能。
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