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天津工業大學林佳弘特聘教授/李婷婷副教授課題組 JMCA：通過界面工程制備空心納米花異質結構，用于高性能柔性超級電容器電極

2023-10-18 來源：高分子科技

超級電容器被認為是未來儲能組件的有力競爭者，因為與電池相比，超級電容器易于構造、超高功率密度、耐用性循環壽命和倍率性能。傳統設備由于其笨重，固有剛性和較低的能量密度嚴重限制了其在便攜式或可穿戴消費電子產品中的應用。天津工業大學李婷婷副教授與逢甲大學林佳弘特聘教授、亞洲大學樓靜文特聘教授合作，基于前期對高性能超級電容器電極材料的研究(Electrochim. Acta 2022. 413.140144, Electrochim. Acta 2023.464.142921和Appl. Surf. Sci 2023.609.155189)，提出通過界面工程制備空心納米花NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene異質結構，用于高性能柔性超級電容器電極。研究內容以“A hollow nano-flower NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene heterostructure via interfacial engineering for high-performance flexible supercapacitor electrodes”發表在《Journal of Materials Chemistry A》。

圖1 NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene異質結構的制備策略示意圖

首先制備了具有優異導電性和親水性的Nb₂CTx MXene納米片，然后以水熱法在Nb₂CTx MXene納米片上原為生長具有不同形貌的電池型電極材料NiCo₂O₄前驅體，最后通過高溫煅燒得到NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene復合材料。其中Nb₂CTx MXene材料表面的官能團為金屬離子（Ni²⁺, Co²⁺）的吸附提供了大量的活性位點同時Nb₂CTx MXene的存在可增強復合材料的導電性為高性能超級電容器電極材料NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene的開發提供了可能性。

圖2 電極材料的形貌及所制備電極的柔性測試

通過調整絮凝劑的種類的用量制備得到了仙人球狀、空心納米花狀和無序納米薄片狀三種形貌結構，形貌結構的差異進一步影響電極材料孔隙結構。大量的孔隙結構不僅能夠構建大量的電子/離子的高效傳輸通道還可以通過增強電解質對電極材料的滲透性提升電極材料的電化學性能。同時，基于NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene和PAN納米纖維的柔性電極可進行多次的彎曲和折疊表現出優異的彎曲穩定性。

圖3 NiCo₂O₄@Nb2CTx 電極電化學性能測試

圖3可知，中空納米花狀NiCo₂O₄@Nb₂CTx-2電極的CV曲線和GCD曲線中分別表現出最大的積分面積和最長的放電時間，表明其具有最大的比電容值。該電極比電容值在1A/g和50A/g電流密度下的比電容值分別高達1030 C/g（1873 F/g）和750 C/g（1364 F/g）電容保留率為72.8%，表現出優良的倍率性能。

圖4 NiCo₂O₄@Nb₂CTx//AC 非對稱超級電容器電化學性能測試

他們研究了NiCo₂O₄@Nb₂CTx為正極，AC為負極，在KOH凝膠電解質中構建全固態雙電極體系。為了匹配兩個電極的容量，電荷平衡滿足以下關系：q+ = q?，陰極和陽極之間活性物質的質量比計算為0.19。該非對稱器件表現出優異的電容特性和庫侖效率且其比電容值高達210.9 C/g (136.1 F/g) 在2 A/g的電流密度下。NiCo₂O₄@Nb₂CTx//AC非對稱超級電容器在功率密度為 163 W/kg和4.1 kW/kg 時實現了最高45.4 Wh/kg和22.7 Wh/kg的高能量密度。該非對稱器件的電化學性能比得上甚至超過其他Ni/Co 基非對稱超級電容器的電化學性能如圖9d所示。

圖5 DFT理論計算

密度泛函理論計算結果表明電子從NiCo₂O₄遷移到NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene復合界面，導致Nb₂CTx MXene和NiCo₂O₄材料表面產生電子和空穴聚集區從而引起復合材料的費米能級和電導率的變化。電導率的提高增強了可逆氧化還原反應的電荷轉移速率和動力學，提高費米能級可以降低電極材料在高電流下吸附后的極化，從而對電極材料電化學性能的提升產生積極的影響（如圖5）。

綜上所述，所制備的空心納米花NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene異質材料是一種電池型電極材料，且制備的NiCo₂O₄@Nb₂CTx-2電極及其組裝的非對稱超級電容器電極表現出優異的電化學儲能能力和優良的循環和彎曲穩定性。本研究為電池型超級電容器的優質電極材料的開發提供了可行性探究依據。論文的第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院申保雷博士，天津工業大學李婷婷副教授和樓靜文特聘教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金支持。

論文鏈接https://doi.org/10.1039/D3TA02729E

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（責任編輯：xu）

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