南昌大学ACS Nano：铝掺杂结合镍纳米管阵列策略大幅提高超级电容器倍率性能

随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展，现代社会迫切需要具有高安全性、超长使用寿命以及可快速充放电等优点的高性能储能设备。超级电容器因其优良的快速充放电能力和超长的循环稳定性能一度成为新型能源的研究热点，其中碳基超级电容器亦开始逐步进入电子设备市场。但为满足当代电子设备对超长续航能力的需求，超级电容器的能量密度有待提升。研究制备复合电极材料是提高超级电容器能量密度的一种有效途径。然而，如何在提高超级电容器能量密度的同时兼顾其稳定性仍然面临挑战。

过渡金属硫化物相对于其相应的氧化物来说，具有较高的导电性和电化学活性，其中，硫化钴因其高的理论比电容而被广泛研究。然而，目前基于硫化钴的电极其比电容、倍率性能和电化学稳定性仍然较差。近日，南昌大学化学学院陈义旺教授课题组报道了一种高效、稳定的超级电容器正极材料。通过双重策略来提高硫化钴电极的电化学性能：其一，Al掺杂提高硫化钴的电化学活性，使其更有效的与电解液发生法拉第反应储能；其二，将Al掺杂的硫化钴纳米片垂直生长在Ni纳米管表面，充分暴露硫化钴纳米片的活性位点，提高与电解液的接触面积以达到提高比电容的目的；Al掺杂与Ni纳米管协同作用来提高电子、电解液离子的扩散与传输，从而提高复合电极的比电容、倍率性能及稳定性。结果表明，该复合电极在KOH电解液中具有优异的电化学性能，其比电容在 5 mV s^-1/1 A g^-1条件下可达1830 F g^-1/2434 F g^-1及高的倍率性能 (在1000 mV s^-1/100 A g^-1条件下具有57.2%/72.3%的电容保持率)。与碳材料负极制备的非对称超级电容器器件，其能量密度可达65.7 W h kg^-1 并具有较好的循环稳定性 (在10000次循环后仍保持90.6 %)，这一研究结果在硫化钴基电极材料中是比较高的。

示意图一：复合电极制备过程

图一：复合电极的形貌结构及成分表征

(a-c) 扫描显微镜图片显示复合电极具有阵列结构，Al掺杂硫化钴为纳米片结构。

(d-f) 透射电镜图片显示Al掺杂硫化钴纳米片生长在空心的Ni纳米管表面。

(g) 元素能谱图表明复合电极含有Co、S、Al、Ni、C元素。

(h) X射线光电子能谱图表明所制得的电极含有Co、S、Ni、C元素。

图二：复合电极电化学性能表征

(a) 在不同充放电速率下不同Al含量的复合电极的比电容对比图。

(b, c) 复合电极的CV, GCD图。

(d) 复合电极在不同充放电速率下的稳定性图。

(e) 复合电极在10 A g^-1下循环10000次的稳定性图及循环后电极的形貌图。

(f) 复合电极结构解析图。

图三：器件电化学性能表征

(a) 电容器基于CV与GCD计算得到的比电容图。

(b) 能量密度与功率密度图。

(c) 在5 A g^-1下循环10000次的稳定性图。

(d) 在10 mV s^-1下不同弯曲状态的CV图。

(e, f) 电容器实物应用图。

【小结】

本文报道了通过Al掺杂与Ni纳米管为导电支架协同来提升硫化钴比电容、倍率性能及电化学稳定性。研究成果为今后超级电容器在材料结构设计与制备方法上的研究发展提供一定的指导意义。相关工作发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是南昌大学化学学院硕士研究生黄俊与南昌大学化学学院魏俊超教授（共同第一作者），南昌大学陈义旺教授和袁凯教授为共同通讯作者。

文献链接：Jun Huang, Junchao Wei, Yingbo Xiao, Yazhou Xu, Yujuan Xiao, Ying Wang, Licheng Tan, Kai Yuan*, and Yiwang Chen*, When Al-doped Cobalt-Sulfide Nanosheets Meet Nickel Nanotube Arrays: A Highly Efficient and Stable Cathode for Asymmetric Supercapacitors, ACS Nano, DOI:10.1021/acsnano.8b00901.

本文由南昌大学化学学院陈义旺教授课题组提供，特此感谢！

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