陰極沉積鎳鈷氫氧化物與擬電容器儲能機制探討

Cathodic Deposition of Nickel Cobalt Hydroxides and the Charge Storage Mechanism of Pseudocapacitors

陳家慶

指導教授 ： 胡啟章

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2013.00354

摘要

本研究在實驗討論的前兩部分主要闡述兩個在超級電容器的應用上基礎但很重要的觀念。其一，擬電容材料的電化學可逆性在能量效率與電容維持率的表現上扮演著關鍵的角色。此部分的實驗，我們也成功地利用陰極沉積法分別合成出高比電容且具有典型材料特性的氫氧化鎳和氫氧化鈷。其二，陽離子效應對氫氧化鎳的相轉變以及循環壽命有著顯著的影響。我們利用電化學石英晶體微天平和其他實驗技術證實陽離子的嵌入/嵌出是氫氧化鎳氧化還原反應的必要步驟。而鋰離子流動性最佳；反之，由拉曼圖譜和掃描式電子顯微鏡的分析發現鉀離子的出入造成阿爾法相(α phase)的不穩定與結構破壞。此外，陽離子效應對氫氧化鎳的電致變色行為以及氧氣還原的催化能力，在長期壽命上的影響，與相轉變和結構破壞具有相當一致的趨勢。本研究的最後一部分則分別探討陰極沉積的不同變因，對於鎳鈷複合氫氧化物的形貌與電容行為表現的影響。最後，我們找出最佳的沉積條件，且發現當複合材料中的鈷鎳元素比為二比一時，鎳鈷複合氫氧化物有最高的比電容同時維持良好的功率特性。經過X光繞射儀(XRD)以及X光能量散射譜(EDS)的分析，最佳沉積條件下合成的鎳鈷複合氫氧化物為Ni0.32Co0.68(OH)2。Ni0.32Co0.68(OH)2 有非常好的功率特性以及循環壽命，且在非對稱超級電容器的測試下，Ni0.32Co0.68(OH)2-GS的能量密度與Ni(OH)2-GS相當，而其能量效率則更加優越，使Ni0.32Co0.68(OH)2在超級電容器的應用上具有非常大的潛力。

關鍵字

氫氧化鎳 ； 氫氧化鈷 ； 鎳鈷氫氧化物

參考文獻

1. Bard, A.J. and L.R. Faulkner, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. 2nd edition ed. 2001, New York: John Wiley & Sons Inc.

5. Tsai, W.L., et al., Electrochemistry: Building on bubbles in metal electrodeposition. Nature, 2002. 417(6885): p. 139.

7. Yoshida, T., et al., Self-Assembly of Zinc Oxide Thin Films Modified with Tetrasulfonated Metallophthalocyanines by One-Step Electrodeposition. Chemistry of Materials, 1999. 11(10): p. 2657-2667.

8. Jayashree, R.S. and P.V. Kamath, Nickel hydroxide electrodeposition from nickel nitrate solutions: mechanistic studies. Journal of Power Sources, 2001. 93(1–2): p. 273-278.

9. Chang, S.T., I.C. Leu, and M.H. Hon Preparation and Characterization of Nanostructured Tin Oxide Films by Electrochemical Deposition. Electrochemical and Solid-State Letters, 2002. 5(8): p. C71-C74.