关键词：电极材料;CuCo_2O_4;电化学性能;对称型超级电容器
摘 要：随着全球变暖和化石能源的日渐枯竭,人们对能源的需求更加的迫切,开发和使用电力电动车作为主要的交通工具已成为不可避免的趋势。目前,高性能能量存储系统的研究主要包括能源电池、锂离子电池和超级电容器三大类。超级电容器,作为新型的能源存储装置,具有高功率密度、快速充放电能力、长使用寿命和高的安全性等一系列优点,成为构造具备先进混合能源存储系统的重要组成部分。根据电荷的存储机制不同,可将超级电容器分为由碳基电极材料组成的双电层电容器和过渡金属、导电聚合物材料组成的赝电容电容器两类。其中,钴酸铜(CuCo_2O_4)作为比较重要的过渡金属氧化物材料,由于其资源丰富、成本低、无毒和导电性能强等优势,成为人们研究的热点。在这篇硕士论文中,我们以水热法在不同条件下合成出不同形貌的CuCo_2O_4电极材料,对其进行一系列测试表征,并对其电化学性能进行了详细的研究和讨论。论文中的主要内容如下:(1)通过一系列的条件调控及性能测试,确定了龙舌兰状CuCo_2O_4纳米线结构的最佳合成方案。合成过程如下:通过简单水热法120℃下反应8 h得到龙舌兰状结构前驱体,并于空气中300℃退火3 h,得到龙舌兰状结构的CuCo_2O_4纳米线电极材料,电化学测试结果表明,制备得到的电极材料在5 m A cm~(-2)下面积比电容高达3.27 F cm~(-2),在电流密度1.5 A g~(-1)下质量比电容达到982 F g~(-1),性能相较于刺猬状钴酸铜得到很大的提升,而且该材料的电荷转移电阻为1.89Ω,大大低于同期报道过的CuCo_2O_4电极材料阻值,在扫速为50m V s~(-1)时,经过CV测试3000圈循环,比电容残留100.9%,经过4000圈的GCD循环,其电容保持率为100.6%,和CV的测试结果相近。此外,还研究了蒲公英状的形成机理,从不同时间的扫描图可以看出龙舌兰状结构形成的过程是由最初的一团纳米片经过一段时间的分化慢慢由片形成了线状结构,最终形成龙舌兰状结构的CuCo_2O_4纳米线电极材料。我们还组装了对称型超级电容器器件,并测试了其电容性能,在1 A g~(-1)时,其电容值为118.0 F g~(-1),经过2000圈GCD循环,其电容保持仍有82%。除此之外,组装的超级电容器器件还具有高的能量密度16.87 Wh kg-1和超高的功率密度8.20 KW kg-1,同时在在功率密度为8.20 KW kg-1时,其能量密度仍高达10.25 Wh kg-1。(2)通过水热法140℃反应5 h得到刺猬状前驱体,之后在空气中300℃退火3 h,得到刺猬状的钴酸铜(CuCo_2O_4)电极材料。并对其进行相关的电化学性能测试。循环伏安法(CV)测试表明,在扫描速率为5 m V s~(-1)时,其质量比电容可达到334.3 F g~(-1),恒流充放电测试(GCD)在电流密度为3 m A cm~(-2)时,面积比电容为0.907 F cm~(-2)。由电化学阻抗谱(EIS)得到的等效串联电阻0.39Ω,经过800圈GCD循环,电容残留率高达96.5%,表现出其较高的电化学稳定性。我们进一步研究了在不同环境温度下进行测试对其电化学性能的影响,测试结果表明在30℃下测试,材料表现出的比电容最大。
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