一步溶剂热法制备超高性能二元金属(氢)氧化物赝电容材料

超级电容器在汽车(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、电力、铁路、通讯、国防、消费性电子产品等方面存在广泛的应用。作为超级电容器中最主要的电能存储贡献者,电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素。金属(氢)氧化物作为典型的赝电容材料,电容性能之所以无法充分发挥,大多与其比表面积过低、结晶度过高或者过低、电解液浸润性太差、自身电子传输能力不足导致的电化学活性位点无法充分利用存在一定的关联。

复旦大学武利民教授课题组针对这些问题,进行了深入而细致的研究,开发出一种简易的一步合成工艺,制备了一种金属镍泡支载的超薄氢氧化镍(Ni(OH)2)-二氧化锰(MnO2)杂化纳米片。制备方法仅需要以表面活性剂作为纳米结构生长辅助试剂,无需外加碱源,在镍泡表面水热共沉积氢氧化镍和二氧化锰的前驱体即可。这种制备方法相比于以往报道的一些方法具备以下优点:(1)表面活性剂不仅辅助纳米片的生长、支持多孔纳米结构的形成,而且改善了活性材料的电解液可浸润性。(2)制备的杂化纳米片尺寸超薄而且几乎垂直于镍基材表面,有利于电解液更加充分地浸润整个纳米片,充分利用电活性位点。此外,无需使用粘结剂,这样避免了粘结剂电阻带来的电极电导率的降低。(3)将Ni(OH)2片层与MnO2片层杂化成纳米片后,改善了MnO2向集流器的电子传输,同时降低了Ni(OH)2片层之间过度的自聚集,这有利于Ni(OH)2和MnO2更加有效地贡献它们的赝电容。当制备的金属镍泡支载Ni(OH)2-MnO2杂化膜直接用作超级电容器电极时,展现出了显著提高的比电容和能量密度,性能远高于文献中报道的一些镍-锰(氢)氧化物基超级电容器材料,甚至还高于大部分镍、锰与其他金属复合形成的(氢)氧化物基超级电容器材料。

借鉴上述工作,武教授课题组在随后的研究中简易地制备了一种金属镍泡支载的超薄镍钴层状双氢氧化物(Ni-Co LDHs)纳米片。他们所采用的一步制备方法不同于以往文献中报道的LDHs的合成方法,该方法不需要外加碱源和氧化剂来分别产生OH和三价阳离子。他们利用硝酸根离子与甲醇之间在高温下的缓慢氧化反应来产生OH,这有利于氢氧化物初级粒子的缓慢产生和聚集,而且还有助于它们相对快速地结晶生长。此外,部分二价钴通过与高温下的溶解氧反应即可转变为三价钴。这两点使得这种LDHs制备方法具有很强的优越性和普适性。由于制备的Ni-Co LDHs直接在导电金属镍泡表面原位生成、尺寸超薄、电解液浸润性好、同时还具有单晶结构,使得制备的Ni-Co LDHs具有超高的电化学活性。因此,当制备的金属镍泡支载Ni-Co LDHs杂化膜直接用作超级电容器电极时,展现出了相比于同类材料更高的电化学电容性能。