碳/氢氧化镍纳米复合材料的制备及其用于超级电容器性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

首先制备得到碳纳米材料，再通过水热法在碳基体上生长纳米结构的氢氧化镍，从而构建碳/氢氧化镍纳米复合材料；然后将所得复合材料与导电炭黑和粘结剂混合、涂覆于泡沫镍上，再经过高压压片处理，制得工作电极；将工作电极在碱性电解液中组装成三电极系统，测试其赝电容性能。

探讨工艺参数对碳/氢氧化镍纳米复合材料赝电容性能的影响，以期获得高比电容、优异倍率性能以及长使用寿命的超级电容器正极材料，对于开发高性能的超级电容器具有重要意义。

2. 国内外研究现状分析

随着经济的发展和人口的剧增，能源逐渐枯竭，生态环境不断恶化，未来洁净和可再生的新能源将占主导作用。超级电容器这种新型储能元件具有传统电池无法比拟的高功率密度、快速充放电、寿命长、无污染等特性，已成为研究热点。目前，超级电容器在动力回收系统、启动系统、后备系统、电动汽车和便携式电子设备等领域得到了广泛的应用。一般来说，超级电容器可以根据储能机理分为两类：（1）双电层电容器，储存能量取决于纯静电电荷在电极/电解质界面上的堆积；（2）赝电容器，其电容来自于电极的电活性物质与电解液发生可逆的法拉第反应。赝电容材料包括导电聚合物、过渡金属氧化物、氢氧化物和硫化物等。目前国内外学者和工程技术人员已对超级电容器的原理、电极材料的制备和性能以及电解液的优化等方面进行了一系列研究。在超级电容器的各种特性中，电容量是最重要的量之一，如何提高其电容量是超级电容器研究的重要问题。超级电容器的性能主要取决于电极材料，ni(oh)₂由于理论比电容高、价格低而成为一种比较有发展前景的超级电容器电极材料。目前，国内外已对它的制备方法和储能机制进行了一些探索。ni(oh)₂在充放电过程中易于团聚和膨胀，从而降低了其实际比电容和恶化了其循环稳定性。为改善其电化学性能，可以将其与结构稳定、导电性能好的碳材料进行复合。其中石墨烯（rgo）是一种具有层状结构、高导电性和大比表面积的碳材料，具有资源丰富、价格低廉和环境友好等优点，是一种理想的电极复合材料。因此，将 ni(oh)₂与rgo进行复合得到的 ni(oh)₂/rgo 具有更好的电化学性能。本研究用水热法制备氢氧化镍超级电容器材料并对电容性能进行测试分析。

1. 超级电容器概述

超级电容器又称为电化学电容器，是近年来倍受关注的高性能电化学能量转换和储存器件。它具有很高的比容量，可达到传统电容器的几十倍，具有瞬间放电、电流大、快速充电、循环寿命长等优点^[1-4]。此外，它对环境不会产生污染，能快速实现充放电，更加适用于电动汽车、军事应用等领域的大型储能系统中。尽管超级电容器有上述的诸多优点，但是它的应用仍然受到诸多制约，主要是由于超级电容器的性能还远远达不到要求^[5,6]。影响超级电容器性能的主要因素是电极材料。目前应用于超级电容器的电极材料主要有三类：碳材料、导电聚合物和过渡金属氧化物。其中碳材料是目前工业上应用最成功的电极材料之一，其导电性能优异、抗腐蚀能力强、密度小。目前应用得比较多的碳材料主要有碳纳米 管、活性炭、玻璃碳、炭黑等。常用的导电聚合物主要是聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺和聚乙烯二茂铁等^[7,8]。研究最早的用于超级电容器的过渡金属氧化物是ruo₂，其导电性良好且有极好的电化学性能，但是由于价格昂贵制约了其在超级电容器上的应用。此外一些过渡金属氢氧化物如ni(oh)₂由于价格低廉、资源充足及超高的赝电容等特点成为非常有应用前景的超级电容器候选材料。但是由于存在导电性差等原因，使得上述材料的性能大大降低。研究者为增加ni(oh)₂电极材料的电化学性能尝试合成各种复合材料，取到了较好的效果^[9-11]。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1. 优化水热法制备氢氧化镍的工艺。

2. 研究水热法制备碳/氢氧化镍纳米复合材料的工艺参数。

4. 研究创新点

将纳米纤维素作为碳源，构建碳纳米线/氢氧化镍复合材料，用于高性能的超级电容器正极材料。