水系碱性储能器件的发展及镍基正极和混合超级电容器的研究进展

水系碱性储能器件的发展及镍基正极和混合超级电容器的研究进展

概括：

随着移动电子设备和电动汽车的普及和发展，人们对高效稳定的能源转换和存储装置的需求日益增长。在各类储能装置中，水系碱性储能装置因电解液不易燃、离子电导率高等优点而备受关注。其中，镍锌（Ni-Zn）电池因电压高、功率大、安全性好、成本低等优点，被认为是商业化应用的有希望的候选材料。然而，镍基正极的电子电导率低、可逆氧化还原性能差，无法最大限度地提高电池的能量密度。此外，混合超级电容器（HSC）可作为一种将电池型电极的高能量密度与电容器型电极的超高功率密度相结合的储能装置，更好地满足储能应用的高需求。然而，它们的能量密度仍然有限​​。为了解决上述两种储能装置遇到的问题，研究高性能的电池型电极材料至关重要。基于此，本文通过调控设计镍钴金属化合物，构筑新型电极材料，进一步提高其在镍锌电池及HSCs中的电化学储能性能。具体内容可分为以下三个部分：（1）基于前驱体转化法，设计合成了一系列不同镍钴比的硫化物及石墨烯复合材料，研究并讨论了镍钴组分对NiCo-S/RGO电化学性能的影响，当镍钴比为2：1时，NiCo-S/RGO表现出最佳性能。此外，由于RGO具有较高的比表面积、对于电解液的扩散距离短、反应动力学快等特点，NiCo-S与RGO的复合增强了表面活性位点，而RGO的存在进一步提高了NiCo-S的循环稳定性，使NiCo-S/RGO在镍锌电池中实现了优异的电化学储能。

(2)采用水热、退火和磷化处理的方法制备了NiCoP-/NiCo?PO_x异质材料。该多组分材料由高度结晶的NiCoP纳米颗粒分散在非晶态的NiCo?PO_x基体中组成，不同化学性质和结晶相的组分之间的界面效应显著提高了电化学储能性能。同时研究了不同磷化程度对组分和电化学性能的影响。当Na?H_2O的质量为Ni_(1.5)Co_(1.5)O_4的10倍时，NiCoP-/NiCo?PO_x电极具有最佳电化学性能。在此基础上组装了HSC和Ni-Zn电池，评估其在实际应用中的潜力。均表现出优异的能量密度和良好的循环稳定性。(3)通过简单的喷雾热解和磷化热处理工艺合成了具有中空结构的NiCoP-x纳米球，获得了优异的电化学性能。这种具有特殊结构的微球提供了较大的比表面积，增强了电极与电解液之间的界面效应，为电化学过程中的体积膨胀提供了缓冲，显著提高了电化学稳定性。此外，磷化物固有的低电负性大大提高了材料的整体电子电导率，优化了倍率性能。同时研究了磷化程度对NiCoP-x组成及储能性能的影响。其中，NiCoP-5在比电容、倍率特性和循环特性等方面表现出良好的电化学性能，在HSC和Ni-Zn电池应用中也展现出巨大的潜力。

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