摘要
随着数字化、智能化、交通电气化的持续发展，迫切地需要开发各种绿色、稳定和高效的电化学储能体系。超级电容器作为一种先进的能源存储与转换器件备受科研工作者的青睐，而对其电极材料的研发和优化是提升储能性能的关键。 近年来，硫化镍因其较高的理论比电容、丰富的电化学反应位点、可调节的成分和低电负性等特点成为一种极具潜力的电极材料。然而，硫化镍的导电率低，制备过程中易团聚且电化学过程中易发生体积膨胀，导致了其不理想的电化学性能。为了解决以上问题，本论文选取结构多样、稳定性强且导电性良好的碳材料为复合对象，通过优化制备方法，调控微观形貌，设计层次化结构将其与硫化镍协同耦合利用物相表征、结构形貌分析和电化学测试等手段，精确解析电极材料的储能机制和构效关系。本文主要工作如下： 1.针对硫化镍在合成过程中易团聚，活性面积降低的问题，利用原位水热法成功制备了三维双壳结构的多孔空心碳球NiS复合材料（PHCSs/NiS）。以废弃酵母细胞壁衍生的空心碳球为基底，可以有效抑制NiS纳米颗粒的聚集确保更多的活性位点，从而提升复合材料的储能性能。此外，通过调节反应过程中镍离子的含量，PHCSs/NiS复合材料的比容量得到了改善。优化后的PHCSs/NiS-3样品在1.0A g-1下具有1436.9F g-1的高比电容，经过5000次的循环后电容保持率高达81.3%。以PHCSs/NiS-3为正极，商业活性炭为负极组装的混合超级电容器具有24.4Wh kg-1的高能量密度。这项工作巧妙地实现了环境与能源领域的交叉结合，为制备经济、高效的电极材料提供了可行性策略。 2.以多孔空心碳球为基底可以有效改善NiS的聚集问题，但复合材料的循环稳定性依旧不佳。研究发现，实现微观形貌的有效调控以及碳材料和NiS的稳定结合有望进一步提升复合材料的循环寿命。在此，通过次氮三乙酸（NTA）辅助水热策略合成了一系列由纳米板或纳米棒自组装而成的NiS/碳六面体复合材料。结果表明，NTA的络合作用不仅能使碳材料和NiS化学键合，而且可以调控六面体单元结构的结构形态。得益于分层组装模式和稳定结构的协同作用，优化后的NiS/NTA-2复合材料表现出卓越的电化学性能，在1.0A g-1下具有1530.4F g-1的出色比电容，并且在经过5000次循环后表现出高达85.6%的循环寿命。构建的NiS/NTA-2//AC混合超级电容器具有高达35.1Wh kg-1的能量密度。该策略利用金属络合物独特的化学性质，为设计形态可控且高稳定性的电极材料进行了有效的探索。 3.在前面的工作中，NiS的高比电容优势在复合材料中发挥的作用有限。为此，利用一种新颖且可扩展的“内外协同”策略将两种形貌的NiS与碳纤维（CFs）相结合来制备高比电容的NiSNF/CF@NiSNP复合材料。大小均匀的NiS纳米颗粒和相互独立的NiS纳米片被分别引入到互连碳纤维的内部和外部区域，这不仅缓解了纳米颗粒的聚集，而且实现了法拉第电容的双重引入。特殊的结构设计使NiSNF/CF@NiSNP-3电极在1.0A g-1的电流密度下的比电容达到了1691.1F g-1。组装的NiSNF/CF@NiSNP-3//AC混合超级电容器的最大能量密度和功率密度也高达31.2Wh kg-1和4004.3W kg-1。此外，该器件在循环5000次后的比电容仍为初始值的87.8%，表现出良好的循环寿命。这种“内外结构同时利用”的设计为各类纤维基储能材料的开发提供了新见解。
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