Nano Lett.:偏硼酸鹽增強超級電容器中Ni/Co氫氧化物的結構穩定性

【引言】

具有優異電化學性能的先進材料是目前材料領域研究的熱點。雙電層型超級電容器具有很高的功率密度（達到10 kW kg^-1）和優異的循環性能（循環壽命超過100000次），已成為便攜電子設備的主要電源。但是其相對低的能量密度（小于10 Wh kg^-1）限制了它的廣泛應用。在此背景下，贗電容型材料，如α-Ni(OH)₂等，越來越引起人們的關注。這種材料具有非常高的比電容，但是循環性能比較差。為了解決這一問題，將其他過渡金屬離子（如Co²⁺等）加入到α-Ni(OH)₂中形成雙金屬復合物，利用協同效應來提高循環壽命。另外，過渡金屬化合物的有效表面積不高，這可以通過形態學控制來解決，例如制備多孔結構來增加表面積，縮短離子擴散的路徑，減少離子嵌入、脫嵌時產生的應變。另一方面，將活性物質和導電物質（如石墨烯）結合起來可以有效地提高超級電容器的性能。

【成果簡介】

2016年12月5日，西安交通大學柳永寧教授（通訊作者）、澳大利亞臥龍崗大學郭再萍（通訊作者）在Nano Letters上發表了題為“Enhanced Structural Stability of Nickel–Cobalt Hydroxide via Intrinsic Pillar Effect of Metaborate for High-Power and Long-Life Supercapacitor Electrodes”的文章。在本文中，除了采用石墨烯提高電導率，采用多孔納米片狀形貌提高比表面積之外，引入了偏硼酸鹽的支柱效應來增加Ni-Co氫氧化物的結構穩定性。這里的偏硼酸鹽的支柱存在于Ni-Co氫氧化物的中間層中，并且與中間層有很強的鍵合力，使得材料具有優異的結構穩定性，因此這種活性物質應用于超級電容器上，展現出了優異的循環性能。

【圖文導讀】

圖1 樣品的結構表征。

（a）PMNC和PMNC/G-x（用x代表不同石墨烯的負載量）復合物的XRD圖譜

（b）經過750攝氏度熱處理兩小時后PMNC樣品的XRD圖譜

（c-f）在PMNC/G-2中B,Ni,Co,C的XPS圖譜

（g）石墨烯和PMNC/G-2的拉曼光譜

（h）Ni_0.5Co_0.5(BO₂)_y(OH)_2?y·xH₂O的層狀結構中加入B-O支柱來增加金屬氫氧化物的層狀結構穩定性。

圖2 樣品的表面形貌表征。

（a）最初的MNC的TEM圖像

（b）在150攝氏度熱處理下的多孔MNC（PMNC）的TEM圖像

（c）具有高度統一的納米孔的PMNC的高分辨TEM圖像

（d）PMNC的（003）晶面的HRTEM圖像，內圖中中間層的厚度大約為0.715nm

（e）PMNC的HAADF STEM圖像

（f）對應于（e）圖的B，O，Co，Ni的映射圖

（g）多孔結構的PMNC/G-2的TEM圖像

（j）PMNC/G-2的HRTEM圖像，證明多孔NMC生長在石墨烯的表面上

（i）超薄PMNC/G-2的TEM圖像

（j，k，l）PMNC/G-2分別對應于（i）圖I, II, III區的HRTEM圖像，證明活性物質直接生長在石墨烯的表面上。

圖3 電化學性能測試。

（a）最初的MNC，PMNC和PMNC/G-x復合物在5 mV掃速下的CV曲線，內部圖片為在電壓為0.4-0.5 V下的放大后的CV曲線（與Hg/HgO對比）

（b）PMNC/G-2在不同電流密度（1到40 A g^-1）下的充放電曲線

（c）樣品在不同電流密度下的比電容，內部圖片為不同石墨烯負載量的樣品在10 A g^-1下的比容量

（d）α-Ni_0.5Co_0.5(OH)₂·xH₂O, 最初的MNC, PMNC, 和?PMNC/G-2在三電極系統下的交流阻抗圖，內部圖片為局部放大圖

（e）PMNC//AC和PMNC/G-2//AC非對稱電容器的循環性能，AC為活性炭，在5 A g^-1下循環10000次。內部圖片為PMNC//AC和PMNC/G-2//AC非對稱電容器的充放電曲線。

圖4 超級電容器性能示意圖。

（a）本文中的贗電容超級電容器與文獻中各種超級電容器在能量密度和功率密度方面的比較

（b）三種非對稱電容器組成的器件使XJTU儀表燈點亮了60分鐘

（c）PMNC的點傳導模式和石墨烯增強PMNC/G-2電導率的示意圖。

【總結】

偏硼酸鹽的支柱、多孔結構和石墨烯的存在均顯著增強了MNC的層狀結構穩定性以及離子和電子的傳輸，從而提高了超級電容器的倍率性能，長時間的循環性能以及在低溫和高溫下的能量密度。最后，此工作表明PMNC/G復合材料是一種潛在的高性能超級電容器的陽極材料。

原文鏈接：Enhanced Structural Stability of Nickel–Cobalt Hydroxide via Intrinsic Pillar Effect of Metaborate for High-Power and Long-Life Supercapacitor Electrodes?（Nano Lett.,?2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04427）

本文由材料人編輯部新能源學術組wangcong供稿。

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