cos的超级电容器电极材料的制备及其性能的研究(附件)【字数：12610】
摘 要摘 要超级电容器，是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型储能装置。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素之一，而过渡金属化合物硫化钴因有着理论高比电容而在储能方面备受关注。本文采用简单的一步水热法，以醋酸钴和硫脲为原料，以乙二胺为分散剂，成功地制备了硫化钴。采用 X 射线衍射、场发射扫描电镜和氮气吸附脱附测试等一系列物相表征技术对硫化钴的结构和形貌进行了分析，通过循环伏安法、恒流充放电、交流阻抗等电化学测试手段研究了硫化钴电极材料的电化学性能。结果表明，所制得的硫化钴材料，具有六方晶型的晶体结构；在电流密度为 0.5 A·g-1 下，硫化钴电极材料比容量高达 357.4 F·g-1，且循环 2,000 圈后仍保持 87.2 % 的比电容，为 299.1 F·g-1。经电解液活化后的硫化钴电极材料较未活化的电极材料，有着更小的溶液电阻和界面电荷转移电阻，同时有着更快的电极与电解液离子间的扩散速率。关键词超级电容器；电极材料；过渡金属硫化物；硫化钴
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 超级电容器的简介 1
1.3 超级电容器的特点 1
1.4 超级电容器的分类及原理 2
1.4.1 电化学双层电容器（EDLC） 2
1.4.2 赝电容电容器 2
1.4.3 混合超级电容器 3
1.5 超级电容器电极材料 3
1.6 硫化钴的研究进展 5
1.7 本课题研究的目的、意义和内容 6
1.7.1 本课题研究的目的、意义 6
1.7.2 本课题研究的内容 7
第二章 实验方法及原理 8
2.1 实验原料与仪器设备 8
2.1.1 实验原料 8
2.1.2 仪器设备 8
2.2 CoS 合成及电极材料的制备 9
2.2.1 CoS 合成 9
2.2.2 电极材料的制备 9
2.3 材料表征 9
2.3.1 X射线衍射（XRD） 9
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 10
2.3.3 氮气吸附脱附实验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
10
2.4 电化学性能测试 11
2.4.1 测试体系 11
2.4.2 循环伏安法测试（CV） 11
2.4.3 恒流充放电测试（GCD） 12
2.4.4 交流阻抗测试（EIS） 12
2.4.5 循环充放电寿命测试 12
第三章 结果与讨论 13
3.1 CoS 的 X 射线衍射分析（XRD） 13
3.2 CoS 的扫描电子显微镜测试分析（SEM） 13
3.3 CoS 的吸附脱附测试分析 14
3.4 CoS 的循环伏安图（CV） 14
3.5 CoS 的恒流充放电曲线（GCD） 15
3.6 CoS 的能量密度图 16
3.7 CoS 的循环性能 17
3.8 CoS 的电化学阻抗分析（EIS） 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
引言
能源无疑是可持续发展社会面临的巨大挑战之一。现代世界的社会繁荣和经济发展依赖于可持续的能源转换和储存。然而，自上世纪以来，不可再生的化石燃料的大量消费导致对能源缺乏的严重焦虑，相应的碳排放也引起日益恶化的环境问题。迫切需要清洁、廉价和可靠的能源来代替化石燃料。作为有效利用清洁和可再生能源（特别是间歇性能源）必要的中间步骤，能源转换和储存已经受到全世界的关注和浓厚的研究兴趣。随着便携式设备、消费电子产品和电动车辆日益增长的需求，实现高效、环保和能量用途多样化的电化学能量转换和存储设备是十分有价值的。
超级电容器的简介
在表面存储电荷可能性的发现是由于与古代摩擦琥珀相关的现象而产生的。在十八世纪中期，当时正在研究所谓“静电”物理学和各种“电机”的发展期间，这种现象的影响获得广泛关注。
1957 年，一组通用电气工程师正在尝试使用多孔碳电极的器件时，他们注意到了双电层电容器效应。他们当时的观察是，能量存储在碳气孔中，并且显示出非常高的电容。后来在 1966 年，俄亥俄州石油公司的一组研究人员在燃料电池设计工作中意外再次发现了这一现象。它们的电池设计由两层活性炭组成，中间由薄而多孔的绝缘体分离开来。迄今为止大多数双电层电容器的机械设计仍保持不变。1978 年，NEC 终于推出超级电容术语，其应用于提供备用电源来维护计算机内存[1]。
由于其应用，许多研究人员开始深入到超级电容器的研发当中。我国的科学家于上世纪九十年代开始投入到超级电容器的研究。
超级电容器的特点
超级电容器是高能量密度电池的理想辅助器件，适用于大量器件。与电池相比，超级电容器具有非常好的功率性能（>10 kWkg1）和更高的循环寿命（>105 个循环）。这是因为在电池中发生的法拉第（氧化还原）反应和相变可能相当缓慢，并可能导致随时间的结构退化。相比之下，超级电容器涉及存储表面电荷。因为这些过程只涉及电荷的转移，所以它们可以快得多。实际上，尽管最先进的锂离子电池的充电和放电时间为 35 分钟，但对于电化学电容器来说，这最快可达 1 秒钟。锂离子电池可以达到 1000 个周期（以 5 C 速率），而电化学电容器可以循环大于 100 万次。尽管相比电池具有更高的能量密度，但超级电容器还具有优异的功率密度性能、长周期稳定性等优点。
超级电容器的分类及原理
超级电容器的操作原理是基于从电解质到电极表面积的离子的能量储存和分布。 基于能量存储机制，超级电容器分为三类：电化学双层电容器，赝电容器和混合超级电容器。
电化学双层电容器（EDLC）
双电层电容器使用两种碳基材料作为电极，电解质和隔膜来构造。双电层电容器可以静电或通过非法法处理电荷，其不涉及电极和电解质之间的电荷转移。双电层电容器使用的储能原理是电化学双层。当施加电压时，电极表面上存在电荷积累，由于电位差存在相反电荷的吸引力，这些结果导致电解质中的离子在隔膜上扩散到相对的带电电极的孔上。为了避免电极上离子的复合，形成双层电荷。双层结合比表面积的增加和电极之间的距离减小，允许双电层电容器获得更高的能量密度[2]。
此外，由于双电层电容器存储机制，这允许非常快速的能量吸收，传递和更好的功率性能。由于非法法的过程，这是没有化学反应。它消除了在充电和放电过程中电池显示的活性材料中观察到的溶胀。双电层电容器和电池之间的一些差异可以被注意到，因为（i）双电层电容器可以承受数百万个周期，不同于最多能承受数千个电池的电池。（ii）电荷存储机构不涉及电解质的溶剂；在锂离子电池中，当使用高电位阴极或石墨阳极时，它有助于固体电解质相间[3]。然而，由于静电表面充电机制，双电层电容器器件的能量密度有限，这就是为什么今天的双电层电容器研究主要集中在提高能量性能和改善电池不能工作的温度范围。双电层电容器的性能可以根据所使用的电解质的类型进行调整。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 超级电容器的简介 1
1.3 超级电容器的特点 1
1.4 超级电容器的分类及原理 2
1.4.1 电化学双层电容器（EDLC） 2
1.4.2 赝电容电容器 2
1.4.3 混合超级电容器 3
1.5 超级电容器电极材料 3
1.6 硫化钴的研究进展 5
1.7 本课题研究的目的、意义和内容 6
1.7.1 本课题研究的目的、意义 6
1.7.2 本课题研究的内容 7
第二章 实验方法及原理 8
2.1 实验原料与仪器设备 8
2.1.1 实验原料 8
2.1.2 仪器设备 8
2.2 CoS 合成及电极材料的制备 9
2.2.1 CoS 合成 9
2.2.2 电极材料的制备 9
2.3 材料表征 9
2.3.1 X射线衍射（XRD） 9
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 10
2.3.3 氮气吸附脱附实验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
10
2.4 电化学性能测试 11
2.4.1 测试体系 11
2.4.2 循环伏安法测试（CV） 11
2.4.3 恒流充放电测试（GCD） 12
2.4.4 交流阻抗测试（EIS） 12
2.4.5 循环充放电寿命测试 12
第三章 结果与讨论 13
3.1 CoS 的 X 射线衍射分析（XRD） 13
3.2 CoS 的扫描电子显微镜测试分析（SEM） 13
3.3 CoS 的吸附脱附测试分析 14
3.4 CoS 的循环伏安图（CV） 14
3.5 CoS 的恒流充放电曲线（GCD） 15
3.6 CoS 的能量密度图 16
3.7 CoS 的循环性能 17
3.8 CoS 的电化学阻抗分析（EIS） 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
引言
能源无疑是可持续发展社会面临的巨大挑战之一。现代世界的社会繁荣和经济发展依赖于可持续的能源转换和储存。然而，自上世纪以来，不可再生的化石燃料的大量消费导致对能源缺乏的严重焦虑，相应的碳排放也引起日益恶化的环境问题。迫切需要清洁、廉价和可靠的能源来代替化石燃料。作为有效利用清洁和可再生能源（特别是间歇性能源）必要的中间步骤，能源转换和储存已经受到全世界的关注和浓厚的研究兴趣。随着便携式设备、消费电子产品和电动车辆日益增长的需求，实现高效、环保和能量用途多样化的电化学能量转换和存储设备是十分有价值的。
超级电容器的简介
在表面存储电荷可能性的发现是由于与古代摩擦琥珀相关的现象而产生的。在十八世纪中期，当时正在研究所谓“静电”物理学和各种“电机”的发展期间，这种现象的影响获得广泛关注。
1957 年，一组通用电气工程师正在尝试使用多孔碳电极的器件时，他们注意到了双电层电容器效应。他们当时的观察是，能量存储在碳气孔中，并且显示出非常高的电容。后来在 1966 年，俄亥俄州石油公司的一组研究人员在燃料电池设计工作中意外再次发现了这一现象。它们的电池设计由两层活性炭组成，中间由薄而多孔的绝缘体分离开来。迄今为止大多数双电层电容器的机械设计仍保持不变。1978 年，NEC 终于推出超级电容术语，其应用于提供备用电源来维护计算机内存[1]。
由于其应用，许多研究人员开始深入到超级电容器的研发当中。我国的科学家于上世纪九十年代开始投入到超级电容器的研究。
超级电容器的特点
超级电容器是高能量密度电池的理想辅助器件，适用于大量器件。与电池相比，超级电容器具有非常好的功率性能（>10 kWkg1）和更高的循环寿命（>105 个循环）。这是因为在电池中发生的法拉第（氧化还原）反应和相变可能相当缓慢，并可能导致随时间的结构退化。相比之下，超级电容器涉及存储表面电荷。因为这些过程只涉及电荷的转移，所以它们可以快得多。实际上，尽管最先进的锂离子电池的充电和放电时间为 35 分钟，但对于电化学电容器来说，这最快可达 1 秒钟。锂离子电池可以达到 1000 个周期（以 5 C 速率），而电化学电容器可以循环大于 100 万次。尽管相比电池具有更高的能量密度，但超级电容器还具有优异的功率密度性能、长周期稳定性等优点。
超级电容器的分类及原理
超级电容器的操作原理是基于从电解质到电极表面积的离子的能量储存和分布。 基于能量存储机制，超级电容器分为三类：电化学双层电容器，赝电容器和混合超级电容器。
电化学双层电容器（EDLC）
双电层电容器使用两种碳基材料作为电极，电解质和隔膜来构造。双电层电容器可以静电或通过非法法处理电荷，其不涉及电极和电解质之间的电荷转移。双电层电容器使用的储能原理是电化学双层。当施加电压时，电极表面上存在电荷积累，由于电位差存在相反电荷的吸引力，这些结果导致电解质中的离子在隔膜上扩散到相对的带电电极的孔上。为了避免电极上离子的复合，形成双层电荷。双层结合比表面积的增加和电极之间的距离减小，允许双电层电容器获得更高的能量密度[2]。
此外，由于双电层电容器存储机制，这允许非常快速的能量吸收，传递和更好的功率性能。由于非法法的过程，这是没有化学反应。它消除了在充电和放电过程中电池显示的活性材料中观察到的溶胀。双电层电容器和电池之间的一些差异可以被注意到，因为（i）双电层电容器可以承受数百万个周期，不同于最多能承受数千个电池的电池。（ii）电荷存储机构不涉及电解质的溶剂；在锂离子电池中，当使用高电位阴极或石墨阳极时，它有助于固体电解质相间[3]。然而，由于静电表面充电机制，双电层电容器器件的能量密度有限，这就是为什么今天的双电层电容器研究主要集中在提高能量性能和改善电池不能工作的温度范围。双电层电容器的性能可以根据所使用的电解质的类型进行调整。
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