ChemElectroChem:Co3O4@NiO核壳结构纳米片阵列:高性能的非对称超级电容器正极材料

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便携式、可穿戴电子设备的发展对新型储能器件的需求日益增加。柔性全固态超级电容器作为新兴的能源存储器件得到科研工作者的广泛关注。然而,较低的能量密度限制其在实际中的应用。为了进一步满足高能量密度、高机械稳定性的需求,可以通过合理设计、匹配正负极材料来构建非对称型柔性全固态超级电容器,从而获得更宽的电化学窗口和更高的能量密度。为了提高能量密度,通常采用易于大规模制备并且具有高的理论比电容的过渡金属氧化物作为电极材料,但较差的导电性和有限的电活性位点导致活性材料利用率低。因此,使用碳布做柔性基底,将活性材料原位生长在导电基底上,是提高导电性和活性材料利用率的有效途径。


金属有机骨架材料(MOF)是一类新型多孔纳米杂化材料,也可以作为制备金属氧化物的前驱体。MOF衍生的纳米片阵列结构,具有较大的比表面积,可以有效缩短充放电过程中离子和电子的传输路径,从而提高活性材料的利用率,在电化学储能与转换等领域应用广泛。

图1 CC/Co3O4@NiO制备过程示意图

图2 CC-ZIF-67 (a), CC-Co3O4 (b,c)以及 CC-Co3O4@NiO (d-f)的TEM图像

近日,渤海大学化学与材料工程学院张庆国课题组,将生长在碳布柔性基底上的ZIF-L经过两步热解法获得核壳结构Co3O4@NiO纳米片阵列复合材料,并将其用于非对称柔性全固态超级电容器正极。此电极材料结构具有独特优势:ZIF-L衍生的纳米片阵列结构Co3O4骨架为NiO的生长提供更多的可接触面积,并在NiO与碳布基底间建立导电网络,有效缩短电子传输路径。核壳结构的纳米片阵列具有增大的比表面积和丰富的孔隙,为电解质离子扩散提供更畅通的传输通道。文章中,系统地探究了CC/Co3O4@NiO材料的形态、结构和电化学性能,并将其用作正极,处理过的碳布(AECC)作负极组成的非对称柔性全固态超级电容器(CC/Co3O4@NiO//AECC)在116 mW cm-3的功率密度下,达到3.11 mWh cm-3的能量密度,并在10000次循环后电容保留率达90.1%。该工作成功设计和制备出Co3O4@NiO核壳结构纳米片阵列材料,并证明其在柔性全固态超级电容器领域的潜在应用。

文信息

In-situ Growth of Ultrathin NiO Nanosheets-Arrays on MOF-derived Porous Co3O4 Scaffolds as a High-performance Cathode for Asymmetric Supercapacitors

Chenming Zhou, Dr. Xiaoman Cao, Dr. Zhijia Sun, Dr. Ying Wei, Prof. Qingguo Zhang

文章第一作者为渤海大学硕士研究生周宸铭


ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202101675


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