清洁能源化学与材料实验室知识库

     超级电容器作为一种新型储能器件，具有功率密度高、循环寿命长、工作范围广、绿色无污染等优点，在电动汽车、便携式电子器件等领域具有广泛用途。目前，尽管超级电容器的研究成果众多，但器件能量密度相对较低，且大多数是在低活性物质负载量下实现的，而高负载量下实现高能量密度一直以来是超级电容器领域的一大挑战。基于这一研究现状，本论文以高性能双金属（氢）氧化物为研究对象，以泡沫镍（nickelfoam,NF）上生长的碳纳米管（carbonnanotubes,CNTs）为微型集流体，通过构筑3D结构特征的双金属（氢）氧化物@CNTs核壳结构，在高负载量下实现了高比容量。在此基础上本论文以双金属（氢）氧化物@CNTs核壳结构为正极，以高性能富氮活性炭为负极成功组装非对称超级电容器器件，展现出了超高的质量和体积能量密度，主要研究内容和结果如下：

    1.通过化学气相沉积和电化学沉积方法制备得到3D高负载量、核壳结构的镍钴双氢氧化物（nickel cobalt layered double hydroxides, NiCo LDH）@CNTs/NF正极材料。核壳结构不仅可大幅提高活性物质负载量，而且可有效缩短电子传输路径、改善电极材料性能。该电极在8.5mgcm-2的高负载量下展现出良好的电容性能，在1 Ag^-1的电流密度下可取得2046Fg^-1的高比容量。以NiCoLDH@CNTs/NF为正极，高性能（487 Fg^-1,1 Ag^-1）聚苯胺基活性炭为负极，成功构建了高负载量、高能量密度的非对称超级电容器器件。该器件的能量密度最高可达89.7 Whkg^-1，且表现出良好的倍率特性和循环稳定性。

     2.通过化学气相沉积和溶剂热方法制备了具有高负载量、高比容量的3D核壳结构Ni(OH)2/MnO₂@CNTs/NF正极材料。该电极在高负载量（6.52 mgcm^-2）下获得了2648 Fg^-1的高比容量（1 Ag^-1）。以Ni(OH)₂/MnO₂@CNTs/NF为正极、以高比容量的聚苯胺基活性炭为负极组装的非对称超级电容器器件展现出了126.4 Whkg^-1的高质量能量密度和10.9 mWhcm^-3的高体积能量密度。该非对称电容器器件在8.4 kWkg^-1（0.73 Wcm^-3）的高功率密度下依然可输出46.9 Whkg^-1（4.06 mWhcm^-3）的高能量密度。

      3.首次通过简单的水热和退火两步法制备了Ni₆MnO₈@CNTs核壳结构复合材料作为超级电容器的电极材料。这也是首次将Ni₆MnO₈材料应用于超级电容器领域的探索尝试。该电极在1 Ag^-1的电流密度下取得了1213 Fg^-1的高比容量，远高于其他镍、锰基氧化物。将Ni₆MnO₈@CNTs电极与聚苯胺基活性炭负极材料组装的非对称超级电容器器件的比容量可达154 Fg^-1，并在831.4 Wkg^-1的功率密度下能够输出58.2 Whkg^-1的能量密度。