超级电容器用镍、钴基三维纳米材料的研究进展

过渡金属镍、钴资源广泛、价格低廉、环境友善,其氧化物和氢氧化物电化学性能良好,已成为优良的超级电容器电极材料。综述了在各类基底上三维生长的镍、钴基纳米材料在电化学超级电容器研究中的研究现状,并预测了未来电化学超级电容器的电极材料的研究方向。     

煅烧温度对制备钴酸镍超级电容器材料的影响

用简单共同沉淀法制备了钴酸镍,研究了煅烧温度对产物的影响。实验结果表明,在200~400℃不同温度下煅烧,得到的钴酸镍材料表现出不同的性质,当煅烧温度为200℃时,没有钴酸镍生成,温度高于250℃才开始形成钴酸镍,且随着煅烧温度的升高,钴酸镍粒径由6.7nm增大到28.1nm。其中煅烧温度为250℃的钴酸镍电极材料粒径最小,具有最大的电化学比表面积,作为超电容器的电极,其比电容也最大,为440F·g~(-1),是良好的超级电容器的电极材料。     

自支撑非贵金属纳米复合材料的研究进展

自支撑非贵金属纳米复合材料取代了贵金属纳米材料,具有简单制备、成本低、比容量高和循环稳定等优点。对目前国内外在碳布、泡沫镍上自生长锰、铁、钴、镍等非贵金属复合材料的制备及其在析氢析氧、超级电容器、电池等领域的电化学性能进行了综述。     

一步水热法制备钴镍氢氧化物及其电容性能研究

本文采用一步水热法制备泡沫镍基钴镍双金属氢氧化物。通过调节Co-Ni摩尔比制备不同形貌的金属氢氧化物。并通过SEM和XRD进行了微观形貌和晶型的分析。最后将不同形貌的产物用于超级电容器电极材料,用电化学工作站进行测试分析其电化学性能。测试结果表明,当Co-Ni摩尔比为6︰4时得到的氢氧化物电化学性能最佳。     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

基于镍材料的柔性固态超级电容器研究进展

柔性固态超级电容器在可穿戴电子设备的储能领域发挥着重要作用，电极作为关键部件，决定了储能器件的性能。镍基材料具有优越的电化学性能，作为电极材料具有广阔的应用前景。根据化学成分将镍基材料分为若干类，重点介绍了镍基/金属以及镍基/非金属材料柔性固态超级电容器的最新进展。简要总结了镍基材料面临的挑战，并对未来的发展进行了展望。     

MnO2基超级电容器电极材料

超级电容器作为一种新型的储能装置,具有长寿命、高功率等特点,在诸多领域内有广泛的应用前景。在影响超级电容器性能的所有因素中,电极材料的性能起着决定性的作用。二氧化锰(MnO₂)具有原料易得,价格低廉,来源广泛,环境友好等优点。综述了MnO₂超级电容器电极材料的储能机理,纳米MnO₂的微观结构与电化学特性之间的关系,并从纳米MnO₂的制备及其综合改性角度,综述其合成、掺杂改性、复合方法在MnO₂基电极材料的新进展,指出了MnO₂基超级电容器电极材料的主要研究方向。     

铁基层状双金属氢氧化物超级电容器电化学性能的研究

采用共沉淀法制备层状双金属氢氧化物(LDHs),通过X射线衍射(XRD),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),扫描电镜(SEM)对其形貌与结构进行物理表征。采用循环伏安法,恒流充放电法等电化学常用方法系统地研究所组装成三电极体系超级电容器的电化学性能。该铁基超级电容器所需原料铁元素储备丰富、价格低廉,且制备方法简单,因而有望成为超级电容器制备中的备选材料。研究表明,当Ni~(2+)-Fe~(3+)层状双金属氢氧化物,镍和铁样品物质的量比为1∶1时,表现出较好的电容器性能;当电流密度为1A·g~(-1)时,其比容量达224.25F·g~(-1),并表现出良好的循环性能。     

基于导电聚合物柔性超级电容器电极材料的研究进展

柔性超级电容器具有灵活性高、充放电速度快、功率密度大、绿色环保、安全性高、成本低等优越性能,在可穿戴电子设备领域具有重要的应用价值。纯导电聚合物电极材料的循环稳定性和电化学性能有限,而导电聚合物复合其他导电材料形成的复合电极能改善其循环稳定性和电化学性能。根据近年来不同导电聚合物基柔性超级电容器电极材料的研究进展,介绍了以导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩)基复合材料作为柔性超级电容器电极材料的制备及其性能研究。     

电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器中的应用

静电纺丝法制备聚丙烯腈（PAN）基纳米纤维具有较大的比表面积、较高的机械强度、优异的纳米结构及良好的化学稳定性。以PAN纳米纤维为基础,进行多方位设计与合成的电极材料在超级电容器中表现出优异的电化学性能,具有广阔的应用前景。本文根据电极材料分类,主要综述了近年来PAN基多孔结构电极材料、杂原子掺杂电极材料以及与碳系材料、导电聚合物、金属氧化物复合等电极材料的研究进展;讨论了电极材料的结构特征、制备方法及其提高电化学性能的原理;最后指出了上述研究中存在的问题,并对未来PAN基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。     

Construction of NiCo2O4 nanoflake arrays on cellulose-derived carbon nanofibers as a freestanding electrode for high-performance supercapacitors

Cellulose has a wide range of applications in many fields due to their naturally degradable and low-cost characteristics, but few studies can achieve cellulose-nanofibers by conventional electrospinning. Herein, we demonstrate that the freestanding cellulose-based carbon nanofibers are successfully obtained by a special design of electrospinning firstly, pre-oxidation and high-temperature carbonization (1600 °C), which display a superior electrical conductivity of 31.2 S·cm^–1 and larger specific surface area of 35.61 m²·g^–1 than that of the polyacrylonitrile-based carbon nanofibers (electrical conductivity of 18.5 S·cm^–1, specific surface area of 12 m²·g^–1). The NiCo₂O₄ nanoflake arrays are grown uniformly on the cellulose-based carbon nanofibers successfully by a facile one-step solvothermal and calcination method. The as-prepared cellulose-based carbon nanofibers/NiCo₂O₄ nanoflake arrays are directly used as electrodes to achieve a high specific capacitance of 1010 F·g^–1 at 1 A·g^–1 and a good cycling stability with 90.84% capacitance retention after 3000 times at 10 A·g^–1. Furthermore, the all-solid-state symmetric supercapacitors assembled from the cellulose-based carbon nanofibers/NiCo₂O₄ deliver a high energy density of 62 W·h·kg^–1 at a power density of 1200 W·kg^–1. Six all-solid-state symmetric supercapacitors in series can also power a ‘DHU’ logo consisted of 36 light emitting diodes, confirming that the cellulose-based carbon nanofiber is a promising carbon matrix material for energy storage devices.     

Novel hierarchical yolk-shell α-Ni(OH)2/Mn2O3 microspheres as high specific capacitance electrode materials for supercapacitors

For high performance supercapacitors, novel hierarchical yolk-shell a-Ni(OH)₂/Mn₂O₃ microspheres were controllably synthesized using a facile two-step method based on the solvothermal treatment. The unique a-Ni(OH)₂ based yolk-shell microstructures decorated with numerous interconnected nanosheets and the hetero-composition features can synergistically enhance reactive site exposure and electron conduction within the microspheres, facilitate charge transfer between electrolyte and electrode materials, and release structural stress during OH⁻ chemisorption/desorption. Moreover, the Mn₂O₃ sediments distributed over the a-Ni(OH)₂ microspheres can serve as an effective protective layer for electrochemical reactions. Consequently, when tested in 1 mol·L⁻¹ KOH aqueous electrolyte for supercapacitors, the yolk-shell a-Ni(OH)₂/Mn₂O₃ microspheres exhibited a considerably high specific capacitance of 2228.6 F·g⁻¹ at 1 A·g⁻¹ and an impressive capacitance retention of 77.7% after 3000 cycles at 10 A·g⁻¹. The proposed a-Ni(OH)₂/Mn₂O₃ microspheres with hetero-composition and unique hierarchical yolk-shell microstructures are highly promising to be used as electrode materials in supercapacitors and other energy storage devices.     

NiCo2O4@quinone-rich N–C core–shell nanowires as composite electrode for electric double layer capacitor

The bind-free carbon cloth-supported electrodes hold the promises for high-performance electrochemical capacitors with high specific capacitance and good cyclic stability. Considering the close connection between their performance and the amount of carbon material loaded on the electrodes, in this work, NiCo₂O₄ nanowires were firstly grown on the substrate of active carbon cloth to provide the necessary surface area in the longitudinal direction. Then, the quinone-rich nitrogen-doped carbon shell structure was formed around NiCo₂O₄ nanowires, and the obtained composite was used as electrode for electric double layer capacitor. The results showed that the composite electrode displayed an area-specific capacitance of 1794 mF∙cm^–2 at the current density of 1 mA∙cm^–2. The assembled symmetric electric double layer capacitor achieved a high energy density of 6.55 mW∙h∙cm^–3 at a power density of 180 mW∙cm^–3. The assembled symmetric capacitor exhibited a capacitance retention of 88.96% after 10000 charge/discharge cycles at the current density of 20 mA∙cm^–2. These results indicated the potentials in the preparation of the carbon electrode materials with high energy density and good cycling stability.     

NiMn2O4/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其超级电容性能

采用水热法制备了NiMn₂O₄/还原氧化石墨烯（NiMn₂O₄/rGO）复合电极材料,研究了石墨烯对NiMn₂O₄/rGO材料形貌、微观结构及电化学性能的影响。结果表明：NiMn₂O₄纳米片沉积在石墨烯片的表面,聚集现象消失。与纯NiMn₂O₄相比,NiMn₂O₄/rGO具有高的比表面积和优良的电化学性能。在1A/g时具有1375F/g的比电容,而纯NiMn₂O₄的比电容为924F/g。5000次充放电后,NiMn₂O₄/rGO在5A/g时的比电容保留率为90%,而NiMn₂O₄的比电容保留率为78%。NiMn₂O₄/rGO表现出良好的电容性能,作为超级电容器电极材料具有广泛的应用前景。     

五氧化二钒电极材料的研究新进展

五氧化二钒作为传统锂离子电池电极材料已被广泛研究。近年来对五氧化二钒电极材料性能的改进一直是锂离子电池研究领域的热点与前沿之一。综述了五氧化二钒材料作为锂离子电池电极材料的研究最新进展,从结构与充放电机理、合成方法及复合改性等方面进行了讨论,总结了五氧化二钒电极材料的各种制备、掺杂和复合方式及其对电化学性能的影响,并指出了其作为锂离子电池电极材料的发展趋势。     

DMFC阳极催化剂用GRQD-NiCo2O4复合物的制备与电催化活性分析

采用水热法制备GRQD-NiCo₂O₄复合物,利用XRD、SEM及TEM分析其微结构,并探讨其作为DMFC阳极催化剂使用时的电化学性能。微结构分析表明所得GRQD-NiCo₂O₄复合物皆为具NiCo₂O₄单一相的尖晶石结构,且GRQD质量浓度高于0.25 g/mL后表面形貌将转变GRQD与NiCo₂O₄相互结合的状态。电化学分析表明添加GRQD可有效增强NiCo₂O₄的导电性并提升其电化学稳定性,其中GRQD质量浓度为0.25 g/mL时所得样品经500次循环测试后电流密度约为77.5 A/g,与循环5次后相比其电流密度剩余量最大（约为69.7%）,该样品作为DMFC阳极催化剂使用时性价比最佳。     

NiCo2S4/N,S-rGO纳米复合材料的制备和电化学储钠性能

NiCo₂S₄是一种极具发展前景的钠离子电池(SIBs)负极材料。采用简单的一步法(混合和热处理)原位合成了锚定在N、S共掺杂还原氧化石墨烯上的纳米颗粒自组装的NiCo₂S₄亚微米球(NiCo₂S₄/N,S-rGO)。XPS表明了NiCo₂S₄与N,S-rGO之间存在电子转移,证实了NiCo₂S₄与N,S-rGO之间强的协同作用。纳米粒子自组装的NiCo₂S₄亚微米球有效地促进了离子的扩散,N,S-rGO优异的电学和力学性能不仅提高了电极的导电性,而且有效地缓冲了充/放电过程中NiCo₂S₄/N,S-rGO的体积变化。NiCo₂S₄/N,S-rGO作为SIBs的负极材料呈现出高可逆容量,优越的倍率性能和长期稳定性(在电流密度为0.5 A/g时循环130次后仍保持了396.7 mA·h/g的高比容量。即使在电流密度为2 A/g时,经过1000次循环后比容量仍保持在283.3 mA·h/g)。研究结果为高效负极材料的设计和合成提供了新的思路。     

Preparation and sodium storage performance of NiCo2S4/N,S-rGO nanocomposites

NiCo₂S₄ is a promising anode material for sodium ion batteries (SIBs). In this paper, a simple one-step method (mixing and heat treatment) was used to synthesize in-situ synthesized NiCo₂S₄ submicron spheres (NiCo₂S₄/N,S-rGO) anchored on N, S co-doped reduced graphene oxide. XPS characterization demonstrated electron transfer between NiCo₂S₄ and N,S-rGO, which confirmed the strong synergistic effect between NiCo₂S₄ and N,S-rGO. The nanoparticles self-assembled NiCo₂S₄ spheres effectively promoted ion diffusion, and the excellent electrical and mechanical properties of N,S-rGO not only improved the conductivity of the electrode, but also effectively buffeted the large volume changes of NiCo₂S₄/N,S-rGO during the charge/discharge process. Benefiting from the unique nano-architecture and strong synergistic effect, NiCo₂S₄/N,S-rGO applied as anode materials for SIBs presented a high reversible capacity, impressive rate capability and superior long-term stability (396.7 mA·h/g at 0.5 A/g after 130 cycles, 283.3 mA·h/g at 2 A/g after 1000 cycles). Those results open an interesting strategy for rational design and preparation of efficient anode materials for SIBs.     

富镍锂离子电池三元材料NCM的研究进展

锂离子电池作为新能源电池符合时代要求,具有良好的应用前景。电池容量、倍率性能与循环性能是电池性能的重要评价指标,在选取高能量密度电极材料的同时要充分考虑电池结构稳定性及其安全性能,三元材料基于这种思路进行设计。目前,针对电池中锂离子导通率与结构不可逆坍塌问题,通过包覆涂层、离子掺杂等手段改善锂离子电池性能已经常态化,实际需求要求有更有效的改性方法。因此,本文综述了富镍锂离子电池三元材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂（NCM424）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)、LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)的研究现状与发展导向,认为简单的单一材料改性已遇到瓶颈,改性方法复合、设计材料多元结构是提升电池性能的一大发展方向;从改性材料的合成和运行路径入手,研究分子水平上的作用机制,建立统一理论模型,通过计算模拟手段设计电极结构,实现锂离子电池突破性的发展。     

Al2O3/ACF复合电极材料的制备及性能表征

以H₃PO₄预处理后的活性炭纤维(ACF)毡为原料,采用浸渍煅烧法制备Al₂O₃/ACF复合电极材料;通过扫描电镜(SEM)、比表面积及孔径分析仪(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)对负载Al₂O₃前后活性炭纤维的微观结构与电化学性能进行表征,利用自制的电吸附装置对NaCl模拟废水进行电吸附性能测试。结果表明,采用浸渍煅烧法成功制备了Al₂O₃/ACF复合电极材料,Al₂O₃/ACF复合体表面及孔道中有絮状或颗粒状的Al₂O₃存在,比表面积从1244.37 m²·g^-1降为974.59 m²·g^-1;同时,Al元素含量为1.06%,Al₂O₃以无晶相无定形态存在于纤维表面;Al₂O₃/ACF表面形成一些Al O键的官能团,其比电容比ACF提高76.5%。负载Al₂O₃后的ACF电极材料电吸附性能增强,除盐效率较ACF原样电极提升了2.3倍,且电极具有可再生性。Al₂O₃/ACF复合材料可以作为电极材料用于去除废水中的无机盐离子。