基于NiMoO_%284%29的超级电容器作为自充电储能器件的性能研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金()作者简介:杨希佳(),女,满族,吉林吉林人,长春工业大学副教授,博士,主要从事纳米能源材料、光催化、超级电容器、摩擦纳米发电机制备等方向研究,E m a i l:y a n g x i j i a c c u t e d u c n 通信作者:黄银(),男,汉族,江苏泰兴人,长春工业大学硕士研究生,主要从事超级电容器、摩擦纳米发电机方向研究,E m a i l:q q c o m第 卷 第期 长 春 工 业 大 学 学 报 V o l N o 年 月 J o u r n a l o fC h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y A p r D O I:/j c n k i c n /t 基于N i M o O的超级电容器作为自充电储能器件的性能研究杨希佳,黄银,王丽莹,李雪松,吕威,(长春工业大学 教育部先进结构材料重点实验室,吉林 长春 ;长春工业大学 材料科学与工程学院,吉林 长春 )摘要:钼酸镍(N i M o O)复合材料具有稳定的晶体构造、较高的导电性能,以碳布作为基底制备了N i M o OC C/F eO非对称超级电容器,经过电化学测试表明,其具有不错的稳定性和良好的倍率性能,同时还有较高的功率密度,在功率密度为 Wc m时,器件的能量密度是 Whc m.此外,用石墨烯和硅橡胶制备了能够收集能量的摩擦纳米发电机(GO T E NG),通过测试发现,其开路电压可以稳定在 V左右,短路电流大约为A,瞬时功率约为 W,并且在长时间的测试中其性能没有下降,证明其具有良好的稳定性能.将两者组合在一起形成一个自供电装置,T E NG收集的能量可以在超级电容器中储存,需要时对外部供电.关键词:N i M o O;超级电容器;水热法;自充电中图分类号:TM;TM 文献标志码:A文章编号:()H i g hp e r f o r m a n c eN i M o Ob a s e ds u p e r c a p a c i t o r f o rd u r a b l es e l f c h a r g i n ge n e r g ys t o r a g ed e v i c eYAN GX i j i a,HUAN GY i n,WAN GL i y i n g,L IX u e s o n g,L YU W e i,(K e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dS t r u c t u r a lM a t e r i a l s,C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,C h a n g c h u n ,C h i n a;S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g,C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,C h a n g c h u n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h en i c k e lm o l y b d a t e(N i M o O)c o m p o s i t em a t e r i a lh a ss t a b l ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dh i g he l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y W ep r e p a r e d t h eN i M o OC C/F eOa s y mm e t r i c s u p e r c a p a c i t o ro n t h eb a s i so fc a r b o n c l o t hT h e e l e c t r o c h e m i c a lt e s t s h o w st h a ti t h a s g o o d s t a b i l i t y,g o o d m u l t i p l i e rp e r f o r m a n c e,a n dh i g hp o w e rd e n s i t y Wh e nt h ep o w e rd e n s i t y i s Wc m,t h ee n e r g yd e n s i t yi s Whc m I na d d i t i o n,af r i c t i o nn a n o g e n e r a t o r(GO T E NG)w a sp r e p a r e du s i n gg r a p h e n ea n ds i l i c o n e r u b b e r t oc o l l e c t e n e r g y I tw a s f o u n d t h a t t h eo p e n c i r c u i t v o l t a g e,s h o r t c i r c u i tc u r r e n ta n di n s t a n t a n e o u sp o w e ro fG o T E NGc a nb es t a b i l i z e da ta b o u t V,a b o u tAa n d W,a n dt h ep e r f o r m a n c eo fG o T E NGi sn o td e c r e a s e dd u r i n gt h et e s t,w h i c hp r o v e st h a tt h eg o o ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e C o m b i n i n g t h e t w o t o f o r mas e l f p o w e r e dd e v i c e,t h ee n e r g yc o l l e c t e db yt h eT E NGc a nb es t o r e d i nas u p e r c a p a c i t o r t os u p p l ye x t e r n a l p o w e rw h e nn e e d e d K e yw o r d s:N i M o O;s u p e r c a p a c i t o r;h y d r o t h e r m a lm e t h o d;s e l f c h a r g i n g 引言随着科技的发展,我们逐步进入一个新时代.周边出现越来越多的电子产品,然而,他们的生命是有限的,需频繁地充电和维护,这给我们带来了诸多不便,因此,提出一个新的研究方向可穿戴 .将能量的收集与存储放置在一个电源系统中,这是应对这个挑战的有效方法之一.在日常生活中,机械能是最常见、分布最多、用途最广的一种可再生能源.然而,由于在收集技术上的缺乏,导致了这些能量的流失和浪费.为了有效地解决这一问题,王中林教授团队研发出一种摩擦纳米发电机(T E NG)用来收集这种能量.L iH等研制了一种复合纱线式的可穿戴摩擦纳米发电机,具有良好的透气性和柔韧性,其工艺简单、成本低,可实现量化.它能够产生A的短路电流,并提供 mWc m的瞬时功率密度.此外,G u oH等报道了一种基于纸张的自充电电源,通过结合基于纸张的T E NG来收集身体运动的能量,用来驱动可穿戴和便携式电子设备,如何存储这些收集来的能量成为下一个问题.经过大量的探索和研究,自充电系统由此诞生,它是由T E NG和超级电容器(S C)组成.由于S C具有高稳定性、高功率密度等优点,成为具有潜力的储能装置 .电极材料是S C的重要组成部分,常见的材料有碳材料、硫化物、氧化物等,其中钼酸材料具有稳 定 的 晶 体 构 造 和 较 高 的 导 电 性 能,以N i M o O复合材料为例,Y e d l u r iA K等在高导电性的泡沫镍(N F)基底上,用简便的水热法制造了 层 次 分 明 的N i M o O/N i M o O纳 米 花.在N i M o O表面上有一个纳米球状的N F/N i M o O结构,在N F基 底 上 形 成 一 个 三 维 的N F/N i M o O结构,不仅增强了大表面积,提高了电化学活性,还提供了一个增强的快速离子扩散路径,并降 低 了 整 个 电 荷 转 移 电 阻.N F/N i M o O/N i M o O复合材料在循环寿命、高比电容、快速充放电能力、高能量密度和良好的速率能力等方面表 现 出 明 显 改 善 的 超 级 电 容 器 性 能.T h i a g a r a j a nK等 采用水热法制备了N i M o O/g CN,并将其用作超级电容器的电极材料.从研究结果来看,N i M o O/g CN纳米复合材料比原始N i M o O材料具有更高的 比电容.此外,N i M o O/g CN复合电极材料表现出高稳定性,即使在 次充放电循环后仍保持高达 的容 量.最 后,发 现N i M o O/g CN表 现 出 Whk g的能量密度值.但是,S C单纯存储的能量是有限的,若把T E NG和S C结合起来就能实现收集和存储一体化,具有广阔的发展潜力.在本实验中,提出采用钼酸镍复合材料作为正极和三氧化二铁作为负极组成了不对称超级电容 器(N i M o O C C/P VA KOH/F eOC C),同时利用氧化石墨烯与硅橡胶组成的摩擦纳米发电机(GO T E NG).这两者通过外部电路组成了自充电设备,为电子设备供电.文中工作在未来的自充电方面具有很大潜力.自充电器件的制备流程如图所示.实验部分在碳布上生长N i M o O复合材料将碳布先后 用丙酮和去 离子水超声 清洗 m i n,放入干燥箱烘干,之后将硫酸和硝酸以的比例混合,将烘干的碳布浸泡其中,h后用大量清水冲洗干净,放入烘箱烘干.称取g的N a M o O和g的N i(NO)溶于 m L去离子水和 m L乙二醇的混合溶液,在室温下搅拌h,得到所需溶液.将准备好的碳布和溶液移入 m L的反应釜内衬中,放入 的烘箱进行加热,加热时间h.随后用去离子水和乙醇先后对样品冲洗并烘干,烘干后放入 的马弗炉中,在空气中进行退火处理,h后取出得到N i M o OC C复合材料.第期杨希佳,等:基于N i M o O的超级电容器作为自充电储能器件的性能研究图自充电器件的制备流程F eO复合材料的制备称 取 mm o l的F e(NO)HO和mm o l的N aS O溶于 m L的去离子水中,并且搅拌 m i n,之后和处理好的碳布一起移入 m L的反应釜内衬中,放入 的烘箱中反应h,冷却后用去离子水和乙醇清洗并烘干.最后放入马弗炉中,在 的空气中放置h得到F eOC C复合材料.单电极T E N G的制备首先将A和B两种硅橡胶以的比例搅拌均匀,形成混合的胶状溶液.随后,用乳胶滴管吸取m L的氧化石墨烯溶液(m g/m L)加入再次搅拌,直至充分混合.最后将溶液倒入模具中等待完全固化,形成GO T E NG.超级电容器的组装与T E N G的连接将制备好的N i M o OC C和F eOC C复合材料分别作为超级电容器的正极和负极,P VA KOH凝胶作为电解质.在两个电极材料的表面均匀地涂上P VA KOH凝胶电解质并放置隔膜,同时隔膜要比电极材料的面积大一些,以防止电极接触造成短路.这样一个不对称的超级电容器(A S C)被 组 装 完 成.通 过 外 部 的 整 流 电 路 将T E NG连接到A S C.实验结果与讨论N i M o OC C复合材料形