石墨烯-Ni(OH)2超級電容器電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級電容器以循環(huán)壽命長、輸出功率高、環(huán)保無毒害的特點在能源環(huán)境問題日益嚴重的現(xiàn)代背景下得到了廣泛的應(yīng)用。但是能量密度不足限制了超級電容器進一步的發(fā)展。過渡金屬氫氧化物特別是Ni(OH)2具有較高的理論比電容，能量密度高，但是導(dǎo)電性能差，充放電過程中存在著嚴重的體積膨脹，而石墨烯是導(dǎo)電性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的二維碳材料，可以探索利用兩者的協(xié)同作用制備出復(fù)合材料應(yīng)用于超級電容器，來獲得理想的電容性能。
　　本文研究了Ni(OH)2材料

2、及石墨烯（活化石墨烯）/Ni(OH)2復(fù)合材料作為超級電容器電極材料的制備方法及其電化學(xué)電容性能，總結(jié)出了低成本、易操作、無污染，適合工業(yè)化生產(chǎn)的材料制備工藝。制備出了電容性能高，循環(huán)穩(wěn)定性好，功率密度、能量密度大的（活化石墨烯）石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料。論文取得了以下的成果:
　　1、采用化學(xué)沉淀法分別以KOH、NaOH和氨水溶液作為沉淀劑制備Ni(OH)2材料。KOH和NaOH制備的材料為無定型結(jié)構(gòu)，氨水制備的材料表現(xiàn)出

3、氫氧化鎳特有的六方晶系結(jié)構(gòu)。在1 mV/s時，Ni-K、Ni-Na和Ni-N三種材料的比電容分別為1672F/g、1381F/g和950F/g;1A/g時，Ni-K、Ni-Na和Ni-N三種材料的比電容分別為1144F/g、935F/g和503F/g。經(jīng)過5000次長循環(huán)測試，Ni-K材料的比電容從917F/g下降到543F/g，容量保持率為59.2％。說明KOH作為沉淀劑制備的氫氧化鎳材料具有較高的電容量，但是容量保持率較低，提升空間

4、較大。
　　2、采用改進的Hummers法制備石墨烯，通過控制不同石墨烯和Ni(OH)2的質(zhì)量比(1∶1、1∶3、1∶5和1∶10)，制備了石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料。通過掃描和透射電鏡分析可以知道石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料具有石墨烯特有的片層結(jié)構(gòu)，Ni(OH)2顆粒均勻分布在石墨烯片層上。石墨烯的添加，顯著提高了復(fù)合材料的比電容，其中GN5組分復(fù)合材料在1mV/s的掃描速率下，比電容為2407F/g;在1-40A/g的電

5、流密度下比電容表現(xiàn)出2200F/g和1266F/g的優(yōu)異性能，遠高于石墨烯的259F/g和229F/g，與純Ni(OH)2的1144F/g和603F/g相比，電容性能得到極大的提高。在10A/g的5000次長循環(huán)測試中，GN5從最初的1510F/g變化為1257F/g，容量保持率為83.2％。GN5復(fù)合材料在12.8 kW/kg的功率密度下能量密度為53.2 Wh/kg，在251W/kg的功率密度下的能量密度92.4 Wh/kg，表現(xiàn)出

6、良好的功率密度和能量密度性能。另外采用對稱/非對稱超級電容器及紐扣電池研究了制備材料的電化學(xué)性能。對于石墨烯對稱型超級電容器，經(jīng)過5000次長循環(huán)測試，其比電容從最開始的123F/g下降到117F/g，容量保持率為95.1％;在不同電流密度下，最大能量密度和功率密度分別為18.75Wh/kg和6.74kW/kg。對于GN5//GNS非對稱超級電容器，其工作電壓為1.5V，在不同電流密度下，最大能量密度和功率密度分別為62.8Wh/kg和

7、5.54kW/kg，說明工作電壓的提高，對于超級電容器能量密度的提高起到關(guān)鍵作用。對于石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料，GN5是電容性能較好的組分。
　　3、采用KOH活化的方法制備活化石墨烯并且控制不同活化石墨烯和Ni(OH)2的質(zhì)量比例(1∶1、1∶3、1∶5和1∶10)，制備活化石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料。通過掃描和透射電鏡分析可以看出Ni(OH)2不僅分散在活化石墨烯片層上，而且沉積于活化石墨烯孔洞中，這種結(jié)構(gòu)能有效緩解

8、氫氧化鎳材料的體積膨脹效應(yīng)。在1mV/s的掃描速率下，AGN10復(fù)合材料的比電容達到2587F/g。從1A/g增加到40A/g的電流密度時，AGN10復(fù)合材料的比電容分別從2450 F/g下降為1398 F/g，高于純氫氧化鎳的1144F/g和603 F/g。經(jīng)過5000次10A/g的循環(huán)測試，AGN10的容量保持率達到93.5％，從1603F/g下降到1499F/g，比石墨烯/Ni(OH)2復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的循環(huán)性能。在不同電流密