mgnio三元金属氧化物超电容电极的性能研究
摘要：本文通过水热合成法，用四水合乙酸镍及六水合氯化镁合成具有NiO/MgO复合结构的葡萄糖体系和β-环糊精体系Mg-Ni-O三元金属氧化物样品，将样品在空气中高温煅烧后，离心沉淀，用烘干后的产物制备成电化学电容器的电极材料。运用XRD、EDS、XPS、SEM等测试方法对获得的电极材料的物相、形貌及微观结构进行系统的表征分析。同时釆用循环伏安法(CV)和计时电位法(CP)对上述电极材料的电化学性能进行测试分析。我们发现电极材料的电容性能与水热时间、体系以及制备电极时的黏合剂有不可分割的关系，水热时间的长短会影响到样品的结构从而影响样品的比表面积。在本文中，水热24小时、使用PTFE黏合剂的葡萄糖体系电极材料具有稳定且较好的电容电极性能。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 实验部分2
1.1 仪器与材料 2
1.2 材料的合成 3
1.2.1 配体的合成3
1.2.2 溶液的配制3
1.2.3 样品的合成3
1.2.4 电极材料的制备4
1.2.5 实验电极的制作4
2 结果与讨论4
2.1 电极材料的结构表征4
2.1.1 X射线粉末衍射与X射线能量散射光谱4
2.1.2 X射线光电子能谱5
2.2 电极材料的形貌鉴定6
2.2.1 对Glu24h的形貌SEM图7
2.2.2 对Glu8h的形貌SEM图8
2.2.3 对Cyc8h的形貌SEM图8
2.3 电极材料的电化学性能研究9
2.3.1 循环伏安法测定电极材料9
2.3.2 恒流充放电测试电极材料12
3 结论13
致谢14
参考文献14
MgNiO三元金属氧化物超级电容电极的性能研究
引言
引言
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，兼有传统电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，且充电速度快、循
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
环寿命长、对环境无污染[1,2]。功率密度和能量密度是衡量超级电容器性能的主要指标，而电极材料的性质是决定电容器功率密度、能量密度等电化学性能的关键因素。根据储能机理的不同，超级电容器一般可分为双电层电容器和法拉第赝（准）电容器，前者电极材料主要为多孔炭材料，后者为金属氧化物和导电聚合物[3]。
金属氧化物在电极／溶液界面反应所产生的法拉第赝（准）电容要远大于双电层电容，因此备受关注。最初的赝电容器电极材料的研究多集中在有较高的法拉第电容以及良好的循环性能的贵金属氧化物，如RuO2、IrO2等。,但是其较少的储量和较高的价格,使得工业化的普及变得很困难。所以,现在研究人员把目光主要投向储量丰富的Ni、Co、Mn、Fe等化合物及其纳米复合材料，以镍基化合物为代表的过渡金属化合物纳米电极材料具有低的扩散电阻，电解液容易渗入内部，高的比表面积等优点，是下一代超级电容器理想的候选者之一[4]。
镍基化合物在二次电池中占有重要地位，把镍基材料用于超级电容器是近十几年内兴起的，其研究重点集中在提高比表面积、导电率、掺杂复合等方面。Liu通过水热法和后续的煅烧过程合成出NiO颗粒,然后在H2氛围下还原部分NiO至Ni[5]。用此方法还原40分钟后的产物在大小为4A/g电流下1000次循环后仍然能保持816 F/g的比电容。石墨稀本身具有的超高电导率使得其与镍基化合物复合后能大大改善复合材料的导电性，对电容提高有较大帮助。Chen研究了石墨煤/碳纳米管/氢氧化镍复合材料的电化学性能,1000次充放电循环后,仍有1008 F/g的比电容(充放电电流密度15 A/g),电容衰减仅仅只有7.8%[6]。另一种提高镍基化合物电容的方法是将其与其它金属氧化物进行复合。Xu制备出了薄片花状NiO/Co3O4复合材料,在5 A/g电流密度下,比电容高达到l000F/g,且5000次循环后电容衰减不到1%，有较高的循环寿命[7]。
赝电容器在充放电过程中，电极活性物质中的过渡金属阳离子在溶液中发生氧化还原反应来进行能量的存储和释放[8]。以镍基化合物材料为正极的赝电电容充电过程为低价态的镍被氧化，放电过程为高价的镍离子被还原，而电极材料与溶液离子的氧化还原反应的充分性很大程度上决定了超级电容器的储能功效，一种拥有较高比表面积的电极材料，会给溶液离子提供更多的离子输送通道，能使尽可能多的溶液离子进入到活性物质内部[9]。
镍基化合物电极材料的制备方法大致分为两类：（1）制备出较大比表面积的镍基电极活性物质，向其中加入导电剂和黏合剂，在导电的基体材料上压制成型，即构成镍基超级电容器电极材料；（2）第二类是在导电基材（不锈钢、泡沫镍等）上直接沉积而得到电极活性材料[10]。
本文主要釆用水热法合成出镍基化合物与氧化镁复合成的电极材料，运用XRD、EDS、XPS、SEM等对合成出的纳米电极材料的物相、微观形貌和结构进行了系统的表征分析。同时釆用循环伏安法和计时电位法在内的电化学测试方法对电极材料的电化学性能进行了分析研究，以探究出最合适的合成方法。
1．实验部分
1.1 仪器与材料
实验试剂全部购于药品厂，于实验室进行下一步处理，若有改进之处，会另行告知，药品清单如表1.1所示，仪器清单见表1.2所示。
样品的烘干是在可控温的真空干燥箱中进行，样品离心过程是在低温高速离心机中完成，样品的高温煅烧则是在程序升温马弗炉中进行。通过X射线粉末衍射仪（XRD，Bruker D8）、X射线能量散射光谱仪以及X射线光电子能谱准确获取电极材料的物相信息；用扫描电子显微镜（SEM，S4800）研究材料的微观结构及形貌、大小信息；用辰华CHI660E电化学工作站用于表征电极材料的电化学性能，电化学表征手段主要涉及循环伏安法、计时电位方法两种。
其中，用于循环伏安和计时电位方法测试得到的电容量大小计算公式如下：
（1.1.1）
（1.1.2）
表1 药品清单表
药品名
备注
四水合乙酸镍
青绿色晶体粉末
六水合氯化镁
白色晶体粉末
β环糊精
白色粉末，分析纯
葡萄糖
白色粉末，分析纯
PVDF
无色，粘稠液体
PTFE
白色粉末
异丙酮
分析纯
乙炔黑
工业级
表2 仪器清单表
仪器
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 实验部分2
1.1 仪器与材料 2
1.2 材料的合成 3
1.2.1 配体的合成3
1.2.2 溶液的配制3
1.2.3 样品的合成3
1.2.4 电极材料的制备4
1.2.5 实验电极的制作4
2 结果与讨论4
2.1 电极材料的结构表征4
2.1.1 X射线粉末衍射与X射线能量散射光谱4
2.1.2 X射线光电子能谱5
2.2 电极材料的形貌鉴定6
2.2.1 对Glu24h的形貌SEM图7
2.2.2 对Glu8h的形貌SEM图8
2.2.3 对Cyc8h的形貌SEM图8
2.3 电极材料的电化学性能研究9
2.3.1 循环伏安法测定电极材料9
2.3.2 恒流充放电测试电极材料12
3 结论13
致谢14
参考文献14
MgNiO三元金属氧化物超级电容电极的性能研究
引言
引言
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，兼有传统电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，且充电速度快、循
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
环寿命长、对环境无污染[1,2]。功率密度和能量密度是衡量超级电容器性能的主要指标，而电极材料的性质是决定电容器功率密度、能量密度等电化学性能的关键因素。根据储能机理的不同，超级电容器一般可分为双电层电容器和法拉第赝（准）电容器，前者电极材料主要为多孔炭材料，后者为金属氧化物和导电聚合物[3]。
金属氧化物在电极／溶液界面反应所产生的法拉第赝（准）电容要远大于双电层电容，因此备受关注。最初的赝电容器电极材料的研究多集中在有较高的法拉第电容以及良好的循环性能的贵金属氧化物，如RuO2、IrO2等。,但是其较少的储量和较高的价格,使得工业化的普及变得很困难。所以,现在研究人员把目光主要投向储量丰富的Ni、Co、Mn、Fe等化合物及其纳米复合材料，以镍基化合物为代表的过渡金属化合物纳米电极材料具有低的扩散电阻，电解液容易渗入内部，高的比表面积等优点，是下一代超级电容器理想的候选者之一[4]。
镍基化合物在二次电池中占有重要地位，把镍基材料用于超级电容器是近十几年内兴起的，其研究重点集中在提高比表面积、导电率、掺杂复合等方面。Liu通过水热法和后续的煅烧过程合成出NiO颗粒,然后在H2氛围下还原部分NiO至Ni[5]。用此方法还原40分钟后的产物在大小为4A/g电流下1000次循环后仍然能保持816 F/g的比电容。石墨稀本身具有的超高电导率使得其与镍基化合物复合后能大大改善复合材料的导电性，对电容提高有较大帮助。Chen研究了石墨煤/碳纳米管/氢氧化镍复合材料的电化学性能,1000次充放电循环后,仍有1008 F/g的比电容(充放电电流密度15 A/g),电容衰减仅仅只有7.8%[6]。另一种提高镍基化合物电容的方法是将其与其它金属氧化物进行复合。Xu制备出了薄片花状NiO/Co3O4复合材料,在5 A/g电流密度下,比电容高达到l000F/g,且5000次循环后电容衰减不到1%，有较高的循环寿命[7]。
赝电容器在充放电过程中，电极活性物质中的过渡金属阳离子在溶液中发生氧化还原反应来进行能量的存储和释放[8]。以镍基化合物材料为正极的赝电电容充电过程为低价态的镍被氧化，放电过程为高价的镍离子被还原，而电极材料与溶液离子的氧化还原反应的充分性很大程度上决定了超级电容器的储能功效，一种拥有较高比表面积的电极材料，会给溶液离子提供更多的离子输送通道，能使尽可能多的溶液离子进入到活性物质内部[9]。
镍基化合物电极材料的制备方法大致分为两类：（1）制备出较大比表面积的镍基电极活性物质，向其中加入导电剂和黏合剂，在导电的基体材料上压制成型，即构成镍基超级电容器电极材料；（2）第二类是在导电基材（不锈钢、泡沫镍等）上直接沉积而得到电极活性材料[10]。
本文主要釆用水热法合成出镍基化合物与氧化镁复合成的电极材料，运用XRD、EDS、XPS、SEM等对合成出的纳米电极材料的物相、微观形貌和结构进行了系统的表征分析。同时釆用循环伏安法和计时电位法在内的电化学测试方法对电极材料的电化学性能进行了分析研究，以探究出最合适的合成方法。
1．实验部分
1.1 仪器与材料
实验试剂全部购于药品厂，于实验室进行下一步处理，若有改进之处，会另行告知，药品清单如表1.1所示，仪器清单见表1.2所示。
样品的烘干是在可控温的真空干燥箱中进行，样品离心过程是在低温高速离心机中完成，样品的高温煅烧则是在程序升温马弗炉中进行。通过X射线粉末衍射仪（XRD，Bruker D8）、X射线能量散射光谱仪以及X射线光电子能谱准确获取电极材料的物相信息；用扫描电子显微镜（SEM，S4800）研究材料的微观结构及形貌、大小信息；用辰华CHI660E电化学工作站用于表征电极材料的电化学性能，电化学表征手段主要涉及循环伏安法、计时电位方法两种。
其中，用于循环伏安和计时电位方法测试得到的电容量大小计算公式如下：
（1.1.1）
（1.1.2）
表1 药品清单表
药品名
备注
四水合乙酸镍
青绿色晶体粉末
六水合氯化镁
白色晶体粉末
β环糊精
白色粉末，分析纯
葡萄糖
白色粉末，分析纯
PVDF
无色，粘稠液体
PTFE
白色粉末
异丙酮
分析纯
乙炔黑
工业级
表2 仪器清单表
仪器
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