纳米多孔镍管及复合薄膜电极的制备和电化学性能研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
能源是人类活动的物质基础，社会的发展离不开优质能源的开发和有效利用。自工业革命以来，能源的开发与利用、能源和环境安全，已经成为全世界共同关心的问题。同时，消耗天然矿物能源（化石燃料）所产生的废气污染、全球气候变暖及环境污染等问题也日益严峻，引起了全球的广泛关注，也是当今社会急需解决的重大问题。因此迫切需要开发出高效，清洁无污染的优质能源，如太阳能、风能、氢能、核能等。目前，上述可循环清洁能源的发展取得了一定的成果，然而如何高效利用开发出来的可再生能源，将其转换为移动电子产品，电动车和电力系统可应用的能源，一直是研究者的研究重点，因此能量的存储是又一个关键技术。目前，能有效的将各种能源转化为电能，并进行能量储存与转换的装置有许多，如燃料电池，锂离子电池和电化学电容器超级电容器(sipercapacitors )，又称电化学电容器（electrochemical capacitors )，或功率电容器（power capacitors)，是一种新型的储能装置，具有可快速充放电，循环寿命长，功率密度高，对环境友好，使用温度范围宽等特点，其储能性能介于二次电池和传统电容器（金属静电电容器和电解电容器）之间[3-7]。如图1.1所示，铅酸电池、锂离子电池等二次电池具有较高的能量密度(120-200 Whkg-i)，但是其功率密度相对较低，一般为0.4-3 kW-kg_i，且循环寿命较短(<1000)。同二次电池相比，超级电容器（包括双电层电容器和法拉第赝电容器)，具有相对较低的能量密度(5-10 Wh-kg),但是具有非常高的功率密度(5-30 kW_kg_i)和较长的循环寿命，表现出超过10万次的超长循环稳定因此，超级电容器的这些储能特性能满足大功率电源的应用需求。如在电力系统，铁路系统，通讯应用等领域中超级电容器具有明显的优势，其在电动汽车领域的应用研究己经成为当今的热潮。在混合电动汽车中超级电容器可以用作车辆启动电源和牵引能源，提高汽车的启动效率，起到保护主蓄电池系统的作用。超级电容器具有电容性能是因为电极材料与电解质发生极化或化学反应会产生双电层电容或法拉第赝电容。因此，电极材料的优化和电解液的研究是发展超级电容器的主要方面。目前超级电容器的电极材料可分为碳材料、导电聚合物材料和过渡金属氧化物材料。其中过渡金属氧化物/氧氧化物复合电极材料的应用和應电容概念的提出，促使电化学电容器的能量密度有了较大的提升，满足了高功率密度、大能量密度的能量存储需求，从而加速了超级电容器的发展应用[17]。超级电容器的类型较多，按照储能原理，超级电容器可分为三类：双电层电容器（electricaldouble-layer capacitors)，法拉第應电容器（Faradic pseudocapacitors)和混合电容器（hybrid capacitors)。
二、研究目的和意义
随着对清洁，可持续的能源需求的日益扩大，使得具有高功率密度，稳定持续的能量密度，长循环寿命的电化学电容器储能装备得到大力的发展和广泛的应用。而提高电化学电容器的储能性能主要在于电极材料的优化。上文中谈论的材料主要是碳材料，导电聚合物，以及金属氧化物。对于碳材料，高比表面积和合理的细孔分布已经实现，并且已经投入市场应用，但其电容值依然比较低。对于导电聚合物，虽然显示出高的比电容，但因其容易在充电/放电过程中发生膨胀，致使其循环寿命不长。而金属氧化物，不仅具有较高比电容还具有较好循环稳定性，表现出较为优越的电化学性能。如Rvi02就具有较好的电容电能，但其价格昂贵，商业化的应用还比较局限。因此研宄廉价，性能优越的电极材料对促进超级电容器的发展及商品化应用具有重大意义。
三、本文研究涉及的主要理论
18世纪中叶，人们就已经制造出莱顿瓶进行电能的存储，这是最早的电能存储装置。到19世纪末，德国物理学家Helmholtz (亥姆赫兹）提出了界面双电层理论，开启了超级电容器的研究热潮；在界面双电层模型的基础上，Gouy和Chapman对其模型理论进行了改善和补充,提出了 Gouy-Chapman双电层模型；随后Stern将上述两种模型结合起来，细致地将电解液离子的分布划分成两个区域（Stern层和扩散层），形成了现在的超级电容器模型理论。Stern认为，在电极/溶液界面存在着两种相互作用（剩余电荷的静电作用和电极与各粒子间的短程作用），使得正负相异的剩余电荷相互靠近，紧贴电极表面排列，形成了 Stern层；又因为粒子的热运动，导致溶液中的带电粒子不能完全紧贴电极，形成了具有分散性的扩散层.
双电层电容器（electrical double-layer capacitor)的电容产生主要是电极界面的静电荷累积过程。这些静电荷由电解质和电极材料的晶格缺陷中产生的表面解离和离子吸附过程形成的。其能量存储过程中不发生化学反应，是一个简单的物理机制。其充放电工作原理如图1.2所示，在外加电压的作用下，两个无活性的多孔电极板在电解质中分别吸附正负离子形成两个电容性存储层（双电层，也称分离电荷层）。这种存储能量的过程是可逆的，因此，双电层电容器可以进行数次充放电。
碳基材料是公认的已经工业化的电极材料，碳材料的优点包括原料丰富，成本较低，易于加工，无毒性，较高的比表面积，良好的电子传导性，优异的化学稳点性以及较宽的工作温度范围等。从1957年，Beck申请利用高比表面积的碳材料制作双电层电容器开始，随后碳材料得到了快速发展，被广泛应用于双电层电容器的制备。Coiiwayt23]等提出作为双电层电容电极的碳材料必须具备以下三个特征：（1)高比表面积，有序比表面积要超过1000 (2)多孔基质有较高的电子导电率，保证电极材料的导电性；（3)合适的孔径分布，保证电解质无障碍扩散。然而，碳材料的最大容量受到活性电极的比表面积和孔径分布的限制，一般容量在0.15-0.4 F.cm-2或150 F.g]。因此，现今主要通过优化碳材料的形貌结构，增大碳基材料的比表面积和控制孔径分布等方法改善其电容性能。碳材料种类繁多，具有形貌和结构多样性，如活性炭，碳纳米管，炭气凝胶，石墨炼等。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本论文在以多孔镍及其氧化物/氢氧化物为研究对象，研究了其电化学性能：(1)通过电化学脱合金法在光滑镍基底上制备了纳米多孔镇管，探索了电解液成分、电活性物质的质量对电极的电化学性能影响。采用SEM，XRD等物理手段对电极的形貌和结构进行表征；采用循环伏安，恒流充放电对电极的充放电性能进行测试。(2)采用电化学氧化法对最优条件下制备的纳米多孔镇管进行氧化得到Ni(OH)2/NiO/Ni复合薄膜电极，将此电极应用于超级电容器的研究。通过SEM，TEM，XRD，XPS, Raman等物理手段对电极的形貌和结构进行表征；采用循环伏安扫描及恒流充放电技术对其赝电容性能进行研宄。本论文的工作是国家自然科学基金一一纳米多孔结构金属镍膜的电化学制备、表面修饰及其腐电容性能(No.51174176)的一部分。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：（略）
五、写作提纲
摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 双电层电容器
1.2.1 双电层电容器的发展
1.2.2 双电层电容器的储能机理
1.2.3 双电层电容器的电极材料
1.3 法拉第赝电容器
1.3.1 赝电容器储能机理
1.3.2 法拉第赝电容器的电极材料
1.4 混合型电容器
1.5 电解液对超级电容器性能的研究
1.6 超级电容器的应用及发展趋势
1.7 本论文的研究背景和主要内容
本章参考文献
第二章 实验部分
2.1 实验试剂与仪器
2.1.1 化学试剂
2.1.2 测试仪器
2.2 电极材料的制备
2.2.1 基底预处理
2.2.2 纳米多孔镍管的制备
2.2.3 Ni(OH)_2/NiO/Ni复合薄膜电极的制备
2.3 电极材料的物理结构表征
2.3.1 X射线衍射(XRD)分析
2.3.2 X射线光电子能谱(XPS)分析
2.3.3 拉曼光谱(Raman)分析
2.3.4 扫描电子显微镜(SEM)分析
2.3.5 透射电子显微镜(TEM)分析
2.4 电极材料的电化学性能测试
2.4.1 循环伏安(CV)测试
2.4.2 恒流充放电测试
2.4.3 电化学阻抗测试
第三章 纳米多孔镍管的制备及其电化学性能表征
3.1 引言
3.2 实验方法
3.2.1 电极制备
3.2.2 电极的表面形貌和结构表征
3.2.3 电极的电化学性能测试
3.3 结果和讨论
3.3.1 光滑镍箔基底在电镀液中的电化学行为
3.3.2 电沉积液浓度对电极的电化学性能的影响
3.3.3 沉积质量对电极的电化学性能影响
3.4 本章小结
本章参考文献
第四章 Ni(OH)_2/NiO/Ni复合薄膜的制备及电化学性能研究
4.1 引言
4.2 实验方法
4.2.1 电极的制备方法
4.2.2 电极质量的计算方法
4.2.3 电极的表面形貌和结构表征
4.2.4 电极的电化学性能测试
4.3 结果与讨论
4.3.1 纳米多孔镍管的微观形貌
4.3.2 电化学氧化制备复合薄膜电极
4.3.3 复合薄膜电极的微观形貌
4.3.4 复合薄膜电极的结构表征
4.3.5 复合薄膜电极的电化学性能表征
4.4 本章小结
本章参考文献
第五章 全文总结
5.1 论文总结
5.2 论文创新点
5.3 工作展望
致谢
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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