三维[email protected]纳米针分级结构电极应用于高性能超级电容器和锂离子电池

AFM从传统便携式电子产品到电动汽车和智能电网储能电站等新兴领域,超级电容器和锂离子电池正扮演着越来越重要的角色,应用前景十分广泛。超级电容器的性能主要是由电极材料的形态、大小和孔隙度等决定,于是越来越多的研究都集中在新型电极材料的制备及结构设计方面;锂离子电池,主要是利用电化学电位的差异来驱动两个电极之间的锂离子的扩散和执行电解质法拉第氧化/还原反应,其工作重心在于必须投入更多的努力去寻求好的电极材料来提高电极的比容量、导电性以及合适的锂化/脱锂效率。

同济大学物理科学与工程学院上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室程传伟教授课题组利用简单的水热合成方法在泡沫镍网上直接生长三维多孔Co3O4@MnO2分级纳米针阵列(NAs)并进一步研究作为超级电容器和锂离子电池负极材料,均表现出优异的电化学性能。当其作为超级电容的活性材料时,在10 mV s-1和1 A g-1扫速下,其电容值分别高达932.8 F g-1和1693.2 F g-1,并以2 A g-1的电流密度下深度循环5000圈后其电容保持率为89.8%;当其作为锂离子电池负极材料时,在120 mA g-1扫速下,可达到1060 mA h g-1的可逆容量,并且还具有较好的循环稳定性和高速率性能。

    该研究成果提出了利用核壳结构结合三维立体纳米阵列来构建兼具高能量密度和高功率密度的赝电容电极材料。主要采用简易高效的水热法以及碳牺牲模板法在镍网基底上直接生长了高度有序的Co3O4@MnO2核壳纳米针阵列,期间结合水热反应时间、温度及溶液浓度等变量的影响提出了材料的生长机理,并进行了深入而细致的研究,为其他高性能超电容和锂离子电极材料的构筑提供了指导作用。研究结果表明异质核壳结构结合三维纳米阵列能提供大的比表面反应面积和短电荷/离子输运通道,能有效提高电极反应动力学进而实现高能量密度和高功率密度并举,一方面可以满足人们对高效能源存储装置的需求,另一方面也为纳米储能材料的制备提供了一条简单、有效而且可调的新途径。与此同时,该类材料在异相催化和化学传感器等领域也具有良好的应用前景,为其他器件的应用和研制提供了重要参考。

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