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“海膽狀”超電電極材料!NiCo2S4@中間相炭微球 精選

已有 2005 次閱讀 2019-5-19 15:24 |系統分類:論文交流| NiCo2S4, 中間相炭微球, 正極材料, 海膽狀結構, 超級電容器

Bimetallic NiCo2S4 Nanoneedles Anchored on Mesocarbon Microbeads as Advanced Electrodes for Asymmetric Supercapacitors

Yu Zhang, Yihe Zhang*, Yuanxing Zhang, Haochen Si, Li Sun*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 35

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0265-1



本文亮點     
1  通過簡單的兩步水熱法,將具有贗電容特性的NiCo2S4(NCS)納米針錨定在中間相炭微球(MCMB)表面,從而形成一種獨特的海膽狀結構。

2  NCS@MCMB納米復合材料得益于其獨特的結構以及基底材料與活性材料之間的協同效應,在用于超級電容器電極材料以及非對稱超級電容器正極材料時,表現出了優異的電化學性能。

內容簡介        

雙金屬硫化物NiCo2S4由于具有優異的贗電容特性,所以具有良好的電化學活性以及能量存儲能力,非常適合用于超級電容器電極材料。

中間相炭微球是一種導電性優異、結構穩定的碳材料,它類球形的結構以及粗糙的表面能夠為晶體的生長提供大量的吸附位點,非常適合作為復合材料的基底材料。

👇

中國地質大學(北京)張以河課題組通過兩步水熱法,使NiCo2S4納米針均勻錨定在碳球材料的表面,形成一種開放的海膽狀結構。

這種開放的結構使得NiCo2S4納米針被充分的展開,防止了其團聚,并且增大了電解液中活性物質的利用率,同時提高了離子/電子的傳輸效率。

此外,得益于NCS和MCMB之間的協同效應,復合材料在被用作超級電容器電極材料時,表現出了優異的電化學性能。

在1 A/g的電流密度下,擁有936 F/g的比電容量;在5 1 A/g的電流密度下,經3000次循環后,依然有94%的比電容保留。并且,當NCS@MCMB被用作組裝非對稱器件時,其擁有7000W/kg下21.39 Wh/kg的能量密度。

圖文導讀     

NCS@MCMB的制備

① 通過靜電相互吸引,鈷源和鎳源的陽離子被吸附在負電性的MCMB表面;

② 第一步的水熱過程形成具有初步海膽狀形貌的中間相前驅體;

③ 第二次水熱完成硫化,在保持了海膽狀形貌的同時,合成了最終的NCS@MCMB復合材料。

圖1 NCS@MCMB納米復合材料的制備過程

👇

活性物質含量比不同的NCS@MCMB材料對比

經過探索各種比例樣品的電化學性能,綜合比電容量、倍率性能等,活性物質含量75%的NCS@MCMB-75%樣品最適合作為電極材料。

一方面,NCS納米針被充分展開,與電解質中的OH充分接觸,促進了NCS納米針上的法拉第氧化還原過程。

另一方面,高導電性MCMB作為基底支持每個NCS納米針,大幅度增強了復合材料的電子轉移能力。

圖3 活性物質含量比不同的各復合材料(NCS占比65%、75%、85%)的電化學數據對比(a-d和g-h),最優樣品NCS@MCMB-75%的CV、GCD數據(e、f),以及電子傳輸原理示意圖(i)。

👇

NCS@MCMB//AC非對稱器件的結構圖

以NCS@MCMB為正極、活性炭為負極的非對稱器件表現出7000 W/kg下21.39 Wh/kg的能量密度以及10 A/g下3000次循環后96.2%的比電容保留。

在隨后的實際應用效果圖中,兩個器件的電壓能夠達到2.75 V,并且經充電后成功將白色LED(工作電壓約3 V)點亮約18分鐘

圖4 NCS@MCMB//AC非對稱器件的結構圖(a),電化學性能數據(b-e)以及實際應用效果(f)。

作者簡介


張以河

(本文通訊作者)

教授、博士生導師

中國地質大學(北京)

材料科學與工程學院院長

主要研究領域:

①  高分子復合材料。②  石墨烯、光催化等納米復合材料。③  固廢與礦物資源材料化利用。

先后主持“十三五”國家重點研發計劃課題、“十二五”863重大項目子課題、國家科技支撐計劃項目子課題、國家自然科學基金面上項目、教育部科學技術研究重點項目、中國地質調查綜合利用項目、香港政府創新基金、國防基礎科研/預研/型號課題等60余個,主筆編制國家有關行業的新材料發展規劃、發展戰略等。

目前在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy 等SCI期刊上共發表論文300余篇,累計被引8000余次,他引7000余次;14 篇論文入選 ESI 前 1 % 高被引論文;申請發明專利40余項并授權20余項,獲國土資源科學技術二等獎2項及其他省部級科技獎。

Email:zyh@cugb.edu.cn

孫黎

(本文通訊作者)

副教授、碩士生導師

中國地質大學(北京)

材料科學與工程學院

2003-2007,清華大學材料科學與工程系,學士;2007-2009,清華大學材料科學與工程系,碩士;2019-2013,香港理工大學應用物理系,博士;

2013-2015,清華大學物理系清華-富士康納米科技研究中心,博士后;2015至今,中國地質大學(北京)材料科學與工程學院講師,副教授。

主要研究納米復合功能材料及其在電池和超級電容器領域的應用。研究工作主要涉及鋰離子電池、鋰硫電池等先進電池用電極材料及超級電容材料的制備、結構和機械物理性能表征。

已在Nano  Letters, ACS  Nano, Journal  of Materials  Chemistry  A, Journal  of Power  sources等國際知名學術期刊發表論文20余篇

Email:sunli@cugb.edu.cn

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