南昌大學ACS Nano：鋁摻雜結合鎳納米管陣列策略大幅提高超級電容器倍率性能

隨著便攜式電子產品和電動汽車的快速發展，現代社會迫切需要具有高安全性、超長使用壽命以及可快速充放電等優點的高性能儲能設備。超級電容器因其優良的快速充放電能力和超長的循環穩定性能一度成為新型能源的研究熱點，其中碳基超級電容器亦開始逐步進入電子設備市場。但為滿足當代電子設備對超長續航能力的需求，超級電容器的能量密度有待提升。研究制備復合電極材料是提高超級電容器能量密度的一種有效途徑。然而，如何在提高超級電容器能量密度的同時兼顧其穩定性仍然面臨挑戰。

過渡金屬硫化物相對于其相應的氧化物來說，具有較高的導電性和電化學活性，其中，硫化鈷因其高的理論比電容而被廣泛研究。然而，目前基于硫化鈷的電極其比電容、倍率性能和電化學穩定性仍然較差。近日，南昌大學化學學院陳義旺教授課題組報道了一種高效、穩定的超級電容器正極材料。通過雙重策略來提高硫化鈷電極的電化學性能：其一，Al摻雜提高硫化鈷的電化學活性，使其更有效的與電解液發生法拉第反應儲能；其二，將Al摻雜的硫化鈷納米片垂直生長在Ni納米管表面，充分暴露硫化鈷納米片的活性位點，提高與電解液的接觸面積以達到提高比電容的目的；Al摻雜與Ni納米管協同作用來提高電子、電解液離子的擴散與傳輸，從而提高復合電極的比電容、倍率性能及穩定性。結果表明，該復合電極在KOH電解液中具有優異的電化學性能，其比電容在 5 mV s^-1/1 A g^-1條件下可達1830 F g^-1/2434 F g^-1及高的倍率性能 (在1000 mV s^-1/100 A g^-1條件下具有57.2%/72.3%的電容保持率)。與碳材料負極制備的非對稱超級電容器器件，其能量密度可達65.7 W h kg^-1 并具有較好的循環穩定性 (在10000次循環后仍保持90.6 %)，這一研究結果在硫化鈷基電極材料中是比較高的。

示意圖一：復合電極制備過程

圖一：復合電極的形貌結構及成分表征

(a-c) 掃描顯微鏡圖片顯示復合電極具有陣列結構，Al摻雜硫化鈷為納米片結構。

(d-f) 透射電鏡圖片顯示Al摻雜硫化鈷納米片生長在空心的Ni納米管表面。

(g) 元素能譜圖表明復合電極含有Co、S、Al、Ni、C元素。

(h) X射線光電子能譜圖表明所制得的電極含有Co、S、Ni、C元素。

圖二：復合電極電化學性能表征

(a) 在不同充放電速率下不同Al含量的復合電極的比電容對比圖。

(b, c) 復合電極的CV, GCD圖。

(d) 復合電極在不同充放電速率下的穩定性圖。

(e) 復合電極在10 A g^-1下循環10000次的穩定性圖及循環后電極的形貌圖。

(f) 復合電極結構解析圖。

圖三：器件電化學性能表征

(a) 電容器基于CV與GCD計算得到的比電容圖。

(b) 能量密度與功率密度圖。

(c) 在5 A g^-1下循環10000次的穩定性圖。

(d) 在10 mV s^-1下不同彎曲狀態的CV圖。

(e, f) 電容器實物應用圖。

【小結】

本文報道了通過Al摻雜與Ni納米管為導電支架協同來提升硫化鈷比電容、倍率性能及電化學穩定性。研究成果為今后超級電容器在材料結構設計與制備方法上的研究發展提供一定的指導意義。相關工作發表在ACS Nano 上，文章的第一作者是南昌大學化學學院碩士研究生黃俊與南昌大學化學學院魏俊超教授（共同第一作者），南昌大學陳義旺教授和袁凱教授為共同通訊作者。

文獻鏈接：Jun Huang, Junchao Wei, Yingbo Xiao, Yazhou Xu, Yujuan Xiao, Ying Wang, Licheng Tan, Kai Yuan*, and Yiwang Chen*, When Al-doped Cobalt-Sulfide Nanosheets Meet Nickel Nanotube Arrays: A Highly Efficient and Stable Cathode for Asymmetric Supercapacitors, ACS Nano, DOI:10.1021/acsnano.8b00901.

本文由南昌大學化學學院陳義旺教授課題組提供，特此感謝！

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