蘇州大學Adv. Mater.: PECVD石墨烯膠囊包覆Nb2O5納米線用于可彎曲鈉離子雜化超級電容器

【引言】

鈉離子雜化超電電容(Na-HSCs)同時具備電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度的特點，成為能源存儲領域的研究熱點。正交相的五氧化二鈮(T-Nb₂O₅)為典型的贗電容型材料，是理想的Na-HSCs負極材料。然而較低的電導率很大程度上限制了T-Nb₂O₅在Na-HSCs中的實際應用。為了改善T-Nb₂O₅基電極的電化學性能，研究人員在提高復合材料中碳含量方面進行了大量的嘗試，然而效果并不是十分理想。此外，關于柔性Na-HSCs器件的研究更是鮮有報道。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的張力和孫靖宇(共同通訊作者)在Adv. Mater.上發表了題為“Caging Nb₂O₅ Nanowires in PECVD-Derived Graphene Capsules toward Bendable Sodium-Ion Hybrid Supercapacitors”的研究論文，報導了基于石墨烯-Nb₂O₅復合材料的可彎曲鈉離子雜化超級電容器的最新研究進展。研究人員借助等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在T-Nb₂O₅納米線表面原位包覆少層石墨烯，制備得到可彎曲的Gr-Nb₂O₅復合材料。研究發現：少層石墨烯中豐富的拓撲缺陷有利于電子和Na⁺離子的高效傳遞，有利于Nb₂O₅和電解質界面處發生快速的贗電容過程；基于Gr-Nb₂O₅復合材料的Na-HSCs表現出優異的能量/功率密度；在不同狀態下反復彎曲測試后仍能表現出優異的電化學性能。

【圖文導讀】

圖-1. Gr-Nb₂O₅復合材料的制備流程和電子顯微鏡圖像

(a) Gr-Nb₂O₅復合材料的制備流程示意圖；

(b)-(c) PECVD原位包覆石墨烯前后T-Nb₂O₅的SEM圖像；

(d) 單個Gr-Nb₂O₅的TEM圖像；

(e) 石墨烯-Nb₂O₅界面處的高分辨TEM圖像；

(f) 垂直的石墨烯納米壁的高分辨TEM圖像。

圖-2. Gr-Nb₂O₅復合材料的表征

(a-d) Gr-Nb₂O₅復合材料的TEM圖像及對應的EDS元素分布圖；

(e) T-Nb₂O₅納米線和Gr-Nb₂O₅復合材料的XRD衍射圖樣；

(f) T-Nb₂O₅納米線和Gr-Nb₂O₅復合材料的拉曼光譜；

(g) T-Nb₂O₅納米線和Gr-Nb₂O₅復合材料中Nb 3d的高分辨XPS譜圖；

(h) T-Nb₂O₅納米線和Gr-Nb₂O₅復合材料中O 1s的高分辨XPS譜圖。

圖-3. Gr-Nb₂O₅復合材料的電化學性能

(a) 當電流密度區間為0.5-20 C時，不同電流密度下Gr-Nb₂O₅負極的恒流充/放電曲線；為了計算首圈庫倫效率，第一次充/放電時電流密度設定為0.25 C；

(b) 當電流密度為0.25 C時，商業化Nb₂O₅，T-Nb₂O₅和Gr-Nb₂O₅的循環性能；

(c) 當電流密度區間為0.5-20 C時，不同電流密度下商業化Nb₂O₅，T-Nb₂O₅和Gr-Nb₂O₅的倍率容量；

(d) 當電流密度為20 C時，Gr-Nb₂O₅的長期循環穩定性曲線；

(e) 當掃速區間為0.1-100 mV s^-1時，不同掃速下Gr-Nb₂O₅的CV曲線；

(f) 根據關系式i = ab^v，以log(i)和log(v)為坐標進行繪圖確定b值；當掃速v ≤ 10 mV s^-1時 b = 0.97；當v > 10 mV s^-1時b = 0.42。

(g) 移除Nb₂O₅內核后石墨烯膠囊的TEM圖像。

圖-4. Gr-Nb₂O₅電極的儲能動力學分析

(a) 當掃速為0.5 mV s^-1時，Gr-Nb₂O₅電極的總電流(實線)和表面電容電流(陰影區域)分離的CV曲線；

(b) 當掃速區間為0.1-5.0 mV s^-1時，不同掃速下Gr-Nb₂O₅電極的電容貢獻率；

(c) Gr-Nb₂O₅中電子/Na⁺離子傳遞示意圖；

(d) 不同電流密度下，以Gr-Nb₂O₅為負極、商業活性炭(AC)為正極組裝成的Na-HSC全電池的恒流充放電曲線；

(e) 當電流密度區間為0.03-2.0 A g^-1時，不同電流密度下Na-HSC的倍率容量以及電流密度為2.0 A g^-1時Na-HSC的長期循環性能；

(f) 與其他最先進的Na-HSCs的結果進行比較繪制而成的Ragone圖。

圖-5. 可彎曲Gr-Nb₂O₅ // AC Na-HSCs性能測試

(a) 可彎曲Gr-Nb₂O₅ // AC Na-HSCs器件示意圖；

(b) 當電壓區間為1.0-4.3 V (vs Na/Na⁺)時，不同彎曲角度下Na-HSCs全電池的恒流充放電曲線；

(c) 可彎曲Na-HSC全電池在不同變形狀態下的循環性能;

(d) 不同彎曲狀態下Na-HCSs點亮LED的光學照片。

【小結】

本文借助PECVD在T-Nb₂O₅納米線表面原位包覆少層石墨烯，有效提高了T-Nb₂O₅的電化序性能。石墨烯豐富的拓撲缺陷和優異的導電性，有效提高了T-Nb₂O₅和電解質界面處的贗電容效率。基于Gr- Nb₂O₅的可彎曲Na-HSCs在不同彎曲狀態下表現出優異的穩定性和較高的能量/功率密度。本文為柔性Na-HSCs的研究和發展提供了新的思路，對高性能雜化超級電容器的發展具有十分重要的意義。

文獻鏈接Caging Nb₂O₅ Nanowires in PECVD-Derived Graphene? Capsules toward Bendable Sodium-Ion Hybrid Supercapacitors (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800963)

本文由材料人編輯部新人組于曉穎編輯，張杰審核，點我加入材料人編輯部。

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