nial金属氧化物纳米材料的可控制备及电化学性能研究(附件)【字数：11546】
随着能源消耗和全球变暖的迅速恶化，迫切需要高效、清洁和可持续的能源，以及具有高能量和功率密度的新的存储系统。超级电容器（SCs，也称为电化学电容器），相比传统的电容器和循环寿命比电池长，具有较高的能量密度和功率密度，是人类应对能源危机的好方法。本文主要就Ni-Al金属氧化物可控制备及其电化学性能讨论研究。采用水热法，以Ni(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O为反应物，制备出具有自组装行为的双氢氧化合物前驱体，接着将它们进行高温煅烧，得到保留前驱体形貌的Ni-Al金属氧化物目标产物，然后进行了Ni-Al金属氧化物的掺S的对比实验，即Ni-Al金属氧化物与NaS·9H2O反应，得到Ni-Al掺S氧化物，目的是试图改善Ni-Al金属氧化物的电化学性能。最后采用X射线衍射、扫描电子显微镜，对产物的成分组成、结构以及材料的形貌特征进行表征分析。最后将制得的材料应用于超级电容器探究电化学性能。Ni-Al金属氧化物在0-0.43 V电压范围内在1 A·g?1电流密度下进行充放电循环，最初容量达到693.17 F·g-1，循环2000圈之后，容量一直保持522.13 F·g?1，电容保持率为97.12%，电化学性能较为稳定；而Ni-Al氧化物掺S复合材料在0-0.47V电压范围内，在1 A·g?1电流密度下进行充放电循环，最初容量达到1189 F·g-1，循环1000圈之后，容量一直保持580F·g?1，电容保持率为54.26%，相比Ni-Al金属氧化物，电容有所升高，但保持率较差。关键词过渡金属氧化物；电化学性能；超级电容器。
Key words:transition metal oxide; electrochemical properties; supercapacitor. 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究概述 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 发展现状 2
1.1.3 缺陷 3
1.1.4 前景分析 3
1.2 金属纳米材料的制备方法 4
1.2.1 化学气相沉积法 4
1.2.2 溶胶－凝胶法 5
1.2.3 微乳液法 5
1.2.4 水热法 6 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
1.3 材料表征方法及其原理和电化学测试方法简述 7
1.3.1 材料表征方法及其原理 7
1.3.2 电化学测试方法 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验仪器 10
2.2 实验样品 10
2.3 材料制备 11
2.4 材料的表征 11
2.5 电化学测量 11
第三章 结果与讨论 12
3.1 材料表征与可能形成机理 12
3.2 超级电容器性能 15
3.2.1 NiAl氧化物材料的超级电容器性能 15
3.2.2 NiAl氧化物掺S材料的超级电容器性能 17
结论 22
致谢 23
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 课题研究概述
1.1.1 研究背景
随着石油资源日益稀缺，内燃机排放污染越来越严重，人们正在研究替代内燃机的新能源。已经在混合动力、燃料电池、化学电池产品的研发和应用上，取得了一定的成功。然而，由于其固有的短寿命、不良的温度特性、污染环境、系统复杂、造价高昂等致命的缺点，尚未得到很好的解决。超级电容器具有优良的特性，比传统化学电池具有更广泛的用途，可以替代部分或全部传统化学电池用于牵引电力和车辆启动。因此，世界各国（特别是西方发达国家）不遗余力地研究开发超级电容器。
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图1.1 超级电容器结构图
美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产前列，而且还建立了国家特殊监管机构（如：美国能源局、日本的SUN、俄罗斯REVA等），由国家大力投入人力，制定发展规划，积极推进。在超级电容器技术水平方面，俄罗斯一直处于世界前列，产品已经被商业化生产和应用，并且在第17届国际电动汽车年会（EVS17）被评为最先进的产品，日本、德国、法国、英国、澳大利亚等国家也广泛推广超级电容器领域。在中国，推广使用超级电容器，可以减少石油消耗，减少对进口石油的依赖，有利于国家石油安全，有助于解决低温启动战车问题，有效解决城市排气问题和铅酸电池污染问题。如今，国内10多家企业在超级电容器研究开发中，大学研究活动也非常活跃[1]。
从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。2007年1月16日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。
这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元[28]。
与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，市场上的高端超级电容器每0.4536千克的存储能量只有锂电池的1/25。
而EEStor开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸电池能充电500～700次，而根据EEStor的声明，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。
这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们对能源安全的需求，减少对石油的依赖。显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代220500瓦的大型汽车。
1.1.2 发展现状
电子产品的新产品和新功能日新月异，产品市场的使用寿命越来越短，要求电子元器件在各个环节都有较高的水平。而由于世界经济环境的影响，电容器行业正面临着材料成本、能源成本、环境成本、劳动力成本总体成本以及产品销售价格的反复下降，整个行业受到双重压力。所以电子元器件行业要变得强大，一定是要行业创新、企业创新、产品创新，跟上电子信息需求的整体发展。
随着经济全球化，世界电子信息整机制造企业纷纷在中国设厂，跨国公司在中国采购，再加上国内原有电子信息制造业的发展，这进一步扩大了我国电容器的消费市场。
Key words:transition metal oxide; electrochemical properties; supercapacitor. 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究概述 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 发展现状 2
1.1.3 缺陷 3
1.1.4 前景分析 3
1.2 金属纳米材料的制备方法 4
1.2.1 化学气相沉积法 4
1.2.2 溶胶－凝胶法 5
1.2.3 微乳液法 5
1.2.4 水热法 6 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
1.3 材料表征方法及其原理和电化学测试方法简述 7
1.3.1 材料表征方法及其原理 7
1.3.2 电化学测试方法 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验仪器 10
2.2 实验样品 10
2.3 材料制备 11
2.4 材料的表征 11
2.5 电化学测量 11
第三章 结果与讨论 12
3.1 材料表征与可能形成机理 12
3.2 超级电容器性能 15
3.2.1 NiAl氧化物材料的超级电容器性能 15
3.2.2 NiAl氧化物掺S材料的超级电容器性能 17
结论 22
致谢 23
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 课题研究概述
1.1.1 研究背景
随着石油资源日益稀缺，内燃机排放污染越来越严重，人们正在研究替代内燃机的新能源。已经在混合动力、燃料电池、化学电池产品的研发和应用上，取得了一定的成功。然而，由于其固有的短寿命、不良的温度特性、污染环境、系统复杂、造价高昂等致命的缺点，尚未得到很好的解决。超级电容器具有优良的特性，比传统化学电池具有更广泛的用途，可以替代部分或全部传统化学电池用于牵引电力和车辆启动。因此，世界各国（特别是西方发达国家）不遗余力地研究开发超级电容器。
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图1.1 超级电容器结构图
美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产前列，而且还建立了国家特殊监管机构（如：美国能源局、日本的SUN、俄罗斯REVA等），由国家大力投入人力，制定发展规划，积极推进。在超级电容器技术水平方面，俄罗斯一直处于世界前列，产品已经被商业化生产和应用，并且在第17届国际电动汽车年会（EVS17）被评为最先进的产品，日本、德国、法国、英国、澳大利亚等国家也广泛推广超级电容器领域。在中国，推广使用超级电容器，可以减少石油消耗，减少对进口石油的依赖，有利于国家石油安全，有助于解决低温启动战车问题，有效解决城市排气问题和铅酸电池污染问题。如今，国内10多家企业在超级电容器研究开发中，大学研究活动也非常活跃[1]。
从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。2007年1月16日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。
这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元[28]。
与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，市场上的高端超级电容器每0.4536千克的存储能量只有锂电池的1/25。
而EEStor开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸电池能充电500～700次，而根据EEStor的声明，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。
这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们对能源安全的需求，减少对石油的依赖。显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代220500瓦的大型汽车。
1.1.2 发展现状
电子产品的新产品和新功能日新月异，产品市场的使用寿命越来越短，要求电子元器件在各个环节都有较高的水平。而由于世界经济环境的影响，电容器行业正面临着材料成本、能源成本、环境成本、劳动力成本总体成本以及产品销售价格的反复下降，整个行业受到双重压力。所以电子元器件行业要变得强大，一定是要行业创新、企业创新、产品创新，跟上电子信息需求的整体发展。
随着经济全球化，世界电子信息整机制造企业纷纷在中国设厂，跨国公司在中国采购，再加上国内原有电子信息制造业的发展，这进一步扩大了我国电容器的消费市场。
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