摘要
近年来，超级电容器由于具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命周期长、重量轻、便携性好、可再生、安全、环保等优点而在新一代能源存储领域受到广泛关注。随着智能服装和便携式电子产品的快速发展，制备一种轻质柔性、高比电容、高能量密度和高功率密度的超级电容器显得尤为重要。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素，因为电极材料的形状、尺寸、成分、比表面积等都对电化学性能有很大影响。到目前为止，碳基材料、过渡金属化合物、导电聚合物等多种电极材料已被广泛研究。碳基材料的比电容和体积电容低，导致其在超级电容器中的应用受到限制；过渡金属化合物具有可逆法拉第反应的赝电容特性，具有高的比电容，但由于其导电性不足，倍率性能受到限制。为了解决这些问题，研究人员对复合电极材料进行了深入研究，其显著提高了超级电容器的电化学性能。 因此，本课题采用纤维素基碳纳米纤维(C-CNFs)为基体，并在其表面负载过渡金属氧化物与硫化物制备超级电容器用复合电极材料，主要研究内容有： (1)采用天然可取、分布广泛、环境友好的纤维素为原料，三氟乙酸(TFA)为溶剂，首先通过静电纺丝的方法制备纤维素纳米纤维(C-NFs)，并讨论了纺丝参数对C-NFs的影响。确定了最佳纺丝液浓度为6.0wt%，静电纺丝电压为17kv，接收距离为13cm，流速为0.75ml/h。然后经过低温热裂解和高温碳化处理得到纤维素基碳纳米纤维(C-CNFs)，研究了不同的碳化温度对C-CNFs的结构、碳含量和导电性的影响。确定最佳的碳化温度为1600℃，制备得到的C-CNFs的电导率为107.8S/cm，碳含量为98.76%。 (2)以制备的C-CNFs为基体，通过水热合成的方法在C-CNFs上负载NiCo2O4前驱体，然后通过高温煅烧制备C-CNFs/NiCo2O4复合电极材料。制备得到的NiCo2O4为超薄纳米片结构，使其具有更丰富的的空隙结构和更低的内阻，有利于离子与电子的快速传输。通过对水热条件的优化，制备了形貌可控、性能优异的C-CNFs/NiCo2O4复合电极材料，讨论了不同水热时间对C-CNFs/NiCo2O4复合电极材料电化学性能的影响。通过电化学性能测试发现，水热时长为8h的样品的电化学性能最好，在1A/g的电流密度时比电容为1010F/g，在10A/g时，复合电极材料的比电容为666F/g，且循环3000圈后，电容保持率仍高达90.84%。功率密度为793.74W·kg-1，能量密度为102.26Wh·kg-1。 (3)为了进一步提高复合电极材料的电化学性能，采用一步水热合成的方法合成了C-CNFs/NiCo2S4复合电极材料，并通过改变硫源(硫脲和硫代乙酰胺)制备得到了片状与球状的NiCo2S4，并比较了这两种形貌对电化学性能的影响。通过循环伏安测试、恒流充放电测试和交流阻抗测试发现，C-CNFs/NiCo2S4纳米片复合电极材料的性能相对优异。在1A/g的电流密度时其比电容为1784F/g，而在10A/g的电流密度时，复合电极材料的比电容为1093F/g，功率密度为809.98W·kg-1，能量密度为180.67·Wh kg-1。但是，C-CNFs/NiCo2S4纳米球复合电极材料的循环稳定性优于C-CNFs/NiCo2S4纳米片复合电极材料，在10A/g的电流密度下循环3000圈，C-CNFs/NiCo2S4纳米球的比电容保持率为92.30%，而C-CNFs/NiCo2S4纳米片为86.90%，可能的原因是C-CNFs/NiCo2S4纳米片在长循环过程中形貌发生了变化、脱落与坍塌，离子传输活性位点相对减少，因此循环稳定性较低。
NETL