天津工业大学林佳弘特聘教授/李婷婷副教授课题组 JMCA：通过界面工程制备空心纳米花异质结构，用于高性能柔性超级电容器电极

2023-10-18 来源：高分子科技

超级电容器被认为是未来储能组件的有力竞争者，因为与电池相比，超级电容器易于构造、超高功率密度、耐用性循环寿命和倍率性能。传统设备由于其笨重，固有刚性和较低的能量密度严重限制了其在便携式或可穿戴消费电子产品中的应用。天津工业大学李婷婷副教授与逢甲大学林佳弘特聘教授、亚洲大学楼静文特聘教授合作，基于前期对高性能超级电容器电极材料的研究(Electrochim. Acta 2022. 413.140144, Electrochim. Acta 2023.464.142921和Appl. Surf. Sci 2023.609.155189)，提出通过界面工程制备空心纳米花NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene异质结构，用于高性能柔性超级电容器电极。研究内容以“A hollow nano-flower NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene heterostructure via interfacial engineering for high-performance flexible supercapacitor electrodes”发表在《Journal of Materials Chemistry A》。

图1 NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene异质结构的制备策略示意图

首先制备了具有优异导电性和亲水性的Nb₂CTx MXene纳米片，然后以水热法在Nb₂CTx MXene纳米片上原为生长具有不同形貌的电池型电极材料NiCo₂O₄前驱体，最后通过高温煅烧得到NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene复合材料。其中Nb₂CTx MXene材料表面的官能团为金属离子（Ni²⁺, Co²⁺）的吸附提供了大量的活性位点同时Nb₂CTx MXene的存在可增强复合材料的导电性为高性能超级电容器电极材料NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene的开发提供了可能性。

图2 电极材料的形貌及所制备电极的柔性测试

通过调整絮凝剂的种类的用量制备得到了仙人球状、空心纳米花状和无序纳米薄片状三种形貌结构，形貌结构的差异进一步影响电极材料孔隙结构。大量的孔隙结构不仅能够构建大量的电子/离子的高效传输通道还可以通过增强电解质对电极材料的渗透性提升电极材料的电化学性能。同时，基于NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene和PAN纳米纤维的柔性电极可进行多次的弯曲和折叠表现出优异的弯曲稳定性。

图3 NiCo₂O₄@Nb2CTx 电极电化学性能测试

图3可知，中空纳米花状NiCo₂O₄@Nb₂CTx-2电极的CV曲线和GCD曲线中分别表现出最大的积分面积和最长的放电时间，表明其具有最大的比电容值。该电极比电容值在1A/g和50A/g电流密度下的比电容值分别高达1030 C/g（1873 F/g）和750 C/g（1364 F/g）电容保留率为72.8%，表现出优良的倍率性能。

图4 NiCo₂O₄@Nb₂CTx//AC 非对称超级电容器电化学性能测试

他们研究了NiCo₂O₄@Nb₂CTx为正极，AC为负极，在KOH凝胶电解质中构建全固态双电极体系。为了匹配两个电极的容量，电荷平衡满足以下关系：q+ = q?，阴极和阳极之间活性物质的质量比计算为0.19。该非对称器件表现出优异的电容特性和库仑效率且其比电容值高达210.9 C/g (136.1 F/g) 在2 A/g的电流密度下。NiCo₂O₄@Nb₂CTx//AC非对称超级电容器在功率密度为 163 W/kg和4.1 kW/kg 时实现了最高45.4 Wh/kg和22.7 Wh/kg的高能量密度。该非对称器件的电化学性能比得上甚至超过其他Ni/Co 基非对称超级电容器的电化学性能如图9d所示。

图5 DFT理论计算

密度泛函理论计算结果表明电子从NiCo₂O₄迁移到NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene复合界面，导致Nb₂CTx MXene和NiCo₂O₄材料表面产生电子和空穴聚集区从而引起复合材料的费米能级和电导率的变化。电导率的提高增强了可逆氧化还原反应的电荷转移速率和动力学，提高费米能级可以降低电极材料在高电流下吸附后的极化，从而对电极材料电化学性能的提升产生积极的影响（如图5）。

综上所述，所制备的空心纳米花NiCo₂O₄@Nb₂CTx MXene异质材料是一种电池型电极材料，且制备的NiCo₂O₄@Nb₂CTx-2电极及其组装的非对称超级电容器电极表现出优异的电化学储能能力和优良的循环和弯曲稳定性。本研究为电池型超级电容器的优质电极材料的开发提供了可行性探究依据。论文的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院申保雷博士，天津工业大学李婷婷副教授和楼静文特聘教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金支持。

论文链接https://doi.org/10.1039/D3TA02729E

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