过渡金属硅酸盐复合材料的制备及超级电容器性能研究.pdf

摘要

超级电容器具有充放电速率快、能量密度高、工作电压区间大、适用范围广的特

点，是一种备受关注的电化学储能器件。近年来，过渡金属硅酸盐由于理论比电容高、

工作电压宽、纳米结构易调控的优点，成为了很有前景的超级电容器电极材料。然而，

结构不稳定和本征导电能力差影响了其循环稳定性和能量密度。基于上述问题，本文

以蒙脱石提取的层状二氧化硅（AM）为硅源和模板，制备了层状碳复合硅酸铁钴材

料（CHOAMFC）和硫化钴镍原位复合硅酸钴镍材料（CHOAMCN-S），并对这两种材

料的超级电容器性能进行了研究，主要内容如下所示：

（1）以AM为硅源和模板，乙酸钴为钴源，硫酸亚铁为铁源，葡萄糖为碳源，

通过水热法得到了二维层状碳复合的CHOAMFC材料，其物相组成为

FeSiO(OH)·2HO和Co(OH)SiO。CHOAMFC在0.5A·g-1电流密度下的比电容

325423425

为1008F·g-1，5A·g-1电流密度下循环充放电10000次后容量保留率为107%，优于

AMFe、AMCo和AMFC的半电池性能，同时具备在5A·g-1电流密度下循环充放电

7000次的容量保留率为109%以及在275W·kg-1功率密度下的能量密度为50.9Wh·kg-

1的优异超级电容器性能。此优异性能的呈现可归因于层状基底上均匀分布着地类枫

叶状次级纳米片增加了CHOAMFC在电解液中的活性位点和接触程度；无定型碳的

复合进一步提升了电荷传输效率；使离子传输具有了1.09eV的低扩散活化能和1.11

eV的低扩散能垒。

（2）为了进一步巩固过渡金属硅酸盐复合材料的超级电容器性能，并同时降低复

合材料的综合制备成本，在接下来的研究中以硅酸镍替代硅酸铁，并对双过渡金属硅

酸盐进行硫化物复合处理，经水热合成的方式得到了硫化钴镍原位包覆的

CHOAMCN-S复合材料。CHOAMCN-S在0.5A·g-1电流密度下的比电容为2390F·g-

1，20A·g-1电流密度下循环充放电20000次后容量保留率为93%，并且在组装的超级

电容器装置电化学性能测试中展现出在403W·kg-1功率密度下能量密度为64.7Wh·kg-

1的高能量输出能力，并同时可长时间点亮发光二极管的实际测试效果。此优异性能

与CHOAMCN-S的珊瑚状形貌密切相关，珊瑚片源于硅酸钴镍，微观凸起来自硫化

钴镍。该复合形貌提升了电极材料在电解液中的接触位点，使法拉第反应更加充分，

同时物相呈“核壳”分布的特点为相间电荷的高效传输提供了结构上的优势，使法拉

第反应更快进行，进而有效提升材料的超级电容器性能。

关键词：蒙脱石；硅酸盐材料；复合材料；超级电容器；天然矿物利用

I

II

ABSTRACT

Withfastcharginganddischargingrates,highenergydensity,largeoperatingvoltage

rangeandwiderangeofapplications,supercapacitorsareanelectrochemicalenergystorage

deviceofconsiderableinterest.Inrecentyears,transitionmetalsilicateshavebecomethe

promisingelectrodematerialduetotheirhightheoreticalspecificcapacitance,wide

operatingvoltagerangeandeasy-controllednanostructure.However,structuralinstability

andpoorintrinsicconductivityarethe