三维梯度电极材料的构造及超级电容性能研究

The nanostructured nickel-cobalt hydroxide has been extensively studied due to its high specific capacity, high power density, good cycle life and environmental friendly features, which is considered to be the key electrode materials for next generation supercapacitors. The aim of this project is to fabricate a new kind of concentration-gradient Ni-Co hydroxide by optimizing their composition and structures and provide some theatrical basis for their application. Firstly, optimize the parameters to synthesis various designed concentration-gradient Ni-Co hydroxide nanostructures; secondly, investigate the relationship between the composition, morphology and the electrochemical properties; thirdly, explore the charging and discharging mechanism and find out the optimized parameters such as the optimized composition, structures and reasonable mechanism. The key problem is to make clear the synergy of different concentration-gradient, find out the key factor which affect the electrochemical property and construct a set of system theory to better control the synthesis and better performance. Through the study of the mechanism of nickel and cobalt synergies, expected research results can provide better controlling of the key factors which affect the capacity, rate capability and cycle stability. Meanwhile, the expected research results can provide accumulated data and theoretical support for the design and preparation for the next generation of super-capacitor electrode material.

镍钴氢氧化物由于其高比容量、高倍率性、良好的循环寿命以及环境友好等特点，被认为是下一代超级电容器的关键材料而被广泛研究。本项目拟利用脉冲电化学沉积的方法构造三维浓度梯度的镍钴氢氧化物纳米多层次结构电极材料。优选出合适的工艺参数，控制合成由具有一定形貌和结构的浓度梯度的镍钴氢氧化物构成的电极材料；在电极材料合成的基础上，系统和深入的研究不同镍钴比例的镍钴氢氧化物组成的三维浓度镍钴氢氧化物电极中不同组分的协同作用。通过对镍钴协同作用的机理的研究，总结出限制电极材料电化学性能，尤其是限制比容量、倍率性能和循环稳定性能的关键因素，从而为进一步调控合成具备高比容量、适合于大电流放电和具有高循环稳定性的浓度梯度的镍钴氢氧化物电极材料提供理论指导。预期研究成果同时可进一步设计和制备适合于下一代超级电容器电极材料提供数据积累和理论保障。

传统基于碳材料的超级电容器功率密度大和循环寿命长，但比能量密度低。基于过渡金属氧化物或氢氧化物的赝电容，比能量密度大大提升，但功率密度和循环稳定性变差。作为赝电容电极材料，氢氧化镍的理论容量高(大于3600 F/g)，但易溶于电解液和发生歧化反应，稳定性不好；氢氧化钴比容量稍低，但导电率高、循环稳定，因此将两者复合制备Co-Ni层状双金属氢氧化物(LDH)，可获得优异综合电化学性能。本项目致力于三维浓度和结构梯度镍钴氢氧化物材料的合成工艺-形貌与结构-充放电机理-电化学性能构效关系的建立。采用脉冲电沉积的方式，制备了具有连续浓度梯度的镍钴氢氧化物。内层富镍提供相对较高的比容量，外层富钴的部分有效的确保整个电极的倍率性能和循环寿命；不同成分之间的团聚和坍塌问题也在这独特的三维浓度梯度下能有效避免，促进了整个电极循环寿命提升。进一步开发了无源脉冲电沉积的方法，制备了具有多层梯度钴镍氢氧化物复合电极材料，其中元素浓度会有一个或者多个阶越，而每一阶中的浓度不变或者连续变化。实现了Co/Ni或者多元成分的复合方式，通过优化，性能进一步得到提升。探索了脉冲阳极氧化法制备纳米梯度结构的镍钴复合氧化物，这种新型结构中，成分是均匀的，但孔结构是梯度式的，提升了电解液的扩散动力学。同时还成功制备了碳纳米管增强Ni/Co LDH 电极的超级电容器，碳纳米管的引入不仅可以提高电极导电性，而且可以有效提高电极的能量密度。在电极材料合成的基础上，系统和深入的研究不同镍钴比例的镍钴氢氧化物组成的三维浓度镍钴氢氧化物电极中不同组分的协同作用。尽量提高镍的含量、降低镍和电解液的接触面积和制备多孔结构是实现高容量、高比功率和长循环稳定的基本规律，而且发现电极由外到内，孔隙度梯度减少，对发挥倍率性能有利。这些基本规律的发现，为进一步设计高性能赝电容电极材料提供了重要理论指导。