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西安交大报道新型高能量密度超级电容器正极材料

发表时间:2019-08-08 12:09来源:新材料在线

新能源需求的快速增长促进了各种新型能源存储或能源转换器件的发展。其中,水系超级电容器因具有极高的安全性,优异的循环性能,超高功率及倍率性能,可作为高功率电源和快充设备用在汽车、电网储能、舰艇和激光武器上。但其能量密度较低,尤其是双电层电容(大多使用多孔碳作为电极)的能量密度通常不高于10Whkg-1.而具有氧化还原反应的赝电容电极材料通常会显示出较高的比容量,同时配合多孔碳或其他负极材料(如铁系)组成非对称超级电容器后会获得比双电层超级电容器(1V)更高的电压(1.4-2V),这对提高器件的能量密度至关重要。然而,赝电容电极材料因为导电性差、表面/界面/体相结构稳定性差等问题极大的增加了电容器的内阻,影响离子扩散,降低循环性能,最终使其失去超级电容器的诸多优势。因此,优化材料成分和有效构筑功能性界面以提高其赝电容性能对高能量密度超级电容器器件的研究具有重要意义。

为获得高性能超级电容器电极材料,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室柳永宁教授和陈元振副教授课题组联合澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授和周腾飞研究员课题组,在前期偏硼酸盐增强(Ni,Co)(OH)2结构稳定性以提高循环寿命(NanoLetters,2017, 17, 429-436)研究工作的基础上,制备出了具有核壳结构的硼化镍@偏硼酸镍复合材料,将其用于非对称超级电容器正极,表现出优良的电容性能。究其原因,一方面是较小的颗粒尺寸有效地提高了材料利用率并降低离子的扩散路径;另一方面,复合材料厚的偏硼酸镍(Ni(BO2)2)壳层,因其BO2-中B原子处于电子不饱和状态,与硼酸显酸性的机理(B(OH)3+H2O=B(OH)4-+H+)类似,Ni(BO2)2也容易吸附OH-,这促进了电化学反应动力学,因此,使活性材料拥有了优良的倍率性能和循环性能。向复合材料中加入石墨烯后,进一步提高了导电性,使其表现出更高的比容量和和优异的循环性能.

上述研究成果以《硼化镍/偏硼酸镍界面构筑及对高能量密度非对称性超级电容器性能的影响》(Interfacial Engineering of Nickel Boride/Metaborate and Its Effect on High Energy Density Asymmetric Supercapacitors)为题发美国化学学会-纳米ACS Nano期刊上,DOI:10.1021/acsnano.9b04005。柳永宁教授和郭再萍教授为本文的通讯作者,陈元振和周腾飞为共同第一作者,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为本文的第一通讯单位。

该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、澳大利亚科学基金和伍伦贡大学交流项目的支持。


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