摘要：超级电容器作为高效储能装置，具有广泛的应用前景，本论文旨在探究以Co3O4为超级电容器电极材料的电化学性能。采用静电纺丝法以钴盐/PAN溶胶为纺丝前驱体，通过高温煅烧获得Co3O4/碳纳米纤维，并进一步研究了不同种类钴盐、钴盐含量、煅烧温度、以及煅烧时间对电极材料结构和电化学性能的影响。利用XRD、TEM等手段对Co3O4/碳纳米纤维进行表征，并测试其电化学性能。结果表明，Co(NO3)2是最合适的钴盐纺丝前驱体，且Co(NO3)2含量为50%、煅烧温度为350oC、煅烧时间为5h时制得的电极材料比电容最大，在电流密度为0.5 A·g-1时，其比电容为282.79 F·g-1。

关键词  静电纺丝  超级电容器  纳米纤维  四氧化三钴

毕业设计说明书外文摘要

Title  Preparation and electrochemical performance of electrospun cobalt-based nanofibers

Abstract：Supercapacitors have attracted great attion due to the effecient energy storage ability. This paper aims to explore the performance of Co3O4  as supercapacitor electrode material. The PAN/cobalt salt sol was used as the spinning precursor by electrospinning , and  Co3O4/carbon nanofibers were obtained by calcination at high temperature. We further explored the effects of different kinds of cobalt salts, cobalt content, calcination temperature and calcination time. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM), and the electrochemical properties were measured. The results show that Co(NO3)2  is the most suitable spinning precursor, when the Co(NO3)2  content is 50%, the calcination temperature is 350℃ and the calcination time is 5 h, the electrode material has the largest specific capacitance. When the current density is 0.5 A·g-1, the specific capacitance reaches 282.79 F·g-1.

Keywords  electrospinning   supercapacitor   Co3O4   nanofiber  

目   次

1 引言 1

1.1 超级电容器概述 1

1.1.1  超级电容器工作原理 1

1.1.2 超级电容器优点 2

1.1.3 超级电容器的应用 2

1.2 静电纺丝法概述 2

1.2.1 静电纺丝装置及原理 2

1.2.2 静电纺丝过程影响因素 2

1.2.3 静电纺丝法的应用 3

1.3 电极材料研究进展 3

1.4 本论文主要研究内容 4

2 实验部分 5

2.1试剂与仪器 5

2.1.1 试剂 5

2.1.2 仪器 5

2.2 实验方案 6

2.3 钴盐/聚丙烯腈纤维的制备 6

2.4 四氧化三钴电极材料的制备 7

2.5 材料结构表征 7

2.6 电化学测试方法 7

2.6.1 循环伏安测试 8

2.6.2 恒电流充放电测试 8

2.6.3 交流阻抗测试 8

3 结果与讨论 9

3.1 Co3O4/碳纳米纤维的结构表征 9

3.1.1 XRD测试 9

3.1.2 TEM测试 9

3.2 不同种类钴盐对Co3O4/碳纳米纤维电化学性能的影响 11

3.3 硝酸钴含量对Co3O4/碳纳米纤维电化学性能的影响 12

3.4 煅烧温度对Co3O4/碳纳米纤维电化学性能的影响 14

3.5 煅烧时间对Co3O4/碳纳米纤维电化学性能的影响 15

3.6 最佳条件下样品的电化学性能测试 17

结  论 18

致  谢 20

参 考 文 献 21

1 引言

新世纪以来能源问题接踵而至，石油、天然气等化石能源的消耗以及它们所引起的一系列环境问题，影响了整个人类社会的持续发展，而风能、太阳能等清洁能源的发展又面临着存储、运输的困难，极大地限制了其大规模应用[1-3]，开发高效的储能装置使清洁能源得以应用得到了世界各国的广泛关注。超级电容器作为同时具有传统电容器与化学电源特点的新型储能元器件，与前者相比较，其拥有更高的能量密度；而和后者相比，其拥有更大的功率密度，因此它具有两者各自的优势，比功率密度高、比容量大、寿命长和优越的脉冲充放电性能等[4-5]，在电子产品、信息科技、电动力汽车、航空技术等方面有非常诱人的前景。我们在超级电容器方面的探索开展得较晚，尽管随着进一步的了解，加快了追赶的步伐，但总体上还落后于世界一流水平。为了探索提高其比电容量，本论文重点介绍Co3O4 /碳纳米纤维电极材料，实验中确定了选择聚丙烯腈(PAN) 和钴盐为前驱体，采用静电纺丝法得到PAN掺杂钴盐纳米纤维，经高温煅烧制得Co3O4/碳纳米纤维，并控制不同实验条件来获得高性能的超级电容器电极材料。