基于稀土元素掺杂效应的尖晶石型钴酸镍的结构调控及电化学性能研究

As a new type of electrochemical energy storage devices, supercapacitor is regarded as an important way to solve energy crisis and environmental pollution. Owing to its high specific capacitance, good electrochemical performance and environmental friendly, spinel NiCo2O4 nanostructure material has become one of the potential supercapacitor electrode materials. This purpose of this project is to improve the electrochemical performance of NiCo2O4. We propose to enhance the conductivity of NiCo2O4 by adjusting its defects- and band structure through rare earth element doping. The materials are prepared on the surface of a soft substrate by hydrothermal method and their morphology can be adjusted by precipitant and surfactant. To understand the correlation among the composition, structure and electrochemical performance, the electrochemical kinetic parameters and capacitive properties of these materials are compared. The effects of ionic radius, valence and doping content of rare earth element on the electrochemical performance of NiCo2O4 are further studied. Finally, the flexible wearable solid asymmetric supercapacitors can be constructed. This project may provide theoretical guidance for the design of metal oxide electrode materials with high performance.

超级电容器作为一种新型电化学储能器件，对于缓解能源危机及环境污染等问题具有重要意义。尖晶石型钴酸镍材料因其高的比容量、良好的电化学性能及环境友好等优点，成为一类潜在的超级电容器电极材料。本项目以提高钴酸镍的电化学性能为目标，利用具有较大离子半径和特殊电子组态的稀土元素对钴酸镍进行掺杂，同时调控钴酸镍的缺陷结构和能带结构，提高材料的导电性。采用水热合成方法在柔性基底表面制备稀土掺杂钴酸镍电极材料，利用沉淀剂及表面活性剂调控其形貌结构，实现材料的可控制备；通过比较材料的电化学动力参数及电容性能，系统研究材料的组成、结构与电化学性能的关系，揭示稀土离子半径、价态、掺杂量对钴酸镍结构和电化学性质的影响规律，阐明稀土掺杂对钴酸镍电化学性能的调控机制；结合负极材料，构建柔性可穿戴高性能固态不对称超级电容器。本项目对于高性能金属氧化物电极材料的设计制备及应用具有重要的理论价值与实际意义。

超级电容器作为一种新型电化学储能器件，对于缓解能源危机及环境污染等问题具有重要意义。钴酸镍材料因其高的比容量、良好的电化学性能及环境友好等优点，成为一类潜在的超级电容器电极材料。依照项目申请书中提供的实验思路，并结合实验过程中遇到的具体问题进行了调整，我们在项目执行过程中主要在两个方面开展了实验探索，具体如下：1)通过电沉积和氨气退火处理，制备了负载在柔性石墨烯纸上的多孔Ni-Co-N纳米片。制备的杂化多孔材料具有较高的电子导电性和较大比表面积，表现出优异的电化学性能，在4 A/g的电流密度下比电容高达960 F/g，5000个充放电循环后电容保持率为95％。此外，通过电化学氧化制备的具有更多缺陷和氧官能团的氧化石墨烯物纸作为阴极与Ni-Co-N/GP 组装成纸基固态不对称超级电容器。该器件在0.15 W cm−3的功率密度下，能量密度达4.78 mWh cm−3，8000圈循环后，比电容的保持率为89%。2）采用水热合成法在柔性碳布表面生长了NiCo-MOF材料，通过硫化得到硫掺杂的钴酸镍材料。该复合电极材料在30 A/g电流密度下，经10000次循环后，其可逆比容量仍能保持83,6%。此外，与负极活性炭材料组装为不对称超级电容器，该器件在40 mA cm−2的电流密度下经过3000次循环后其比电容的保持率高达81.8%。本项目研究结果为开发兼备结构稳定、高能量密度，高功率密度储能特性的多级复合柔性超级电容器奠定了科学基础。