超级电容器正极材料研究取得新进展:基于三维导电网络核壳结构的Co@Co3O4电极的高性能储能特性

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超级电容器,因其高功率密度、较快充放电、长循环寿命等性能而被认为是最有应用前景的新型储能材料。过渡族金属氧化物具有较高的理论容量,并存在可变价态和多样的物相结构,易于得到形貌独特、成分各异的纳微结构,同时原材料来源广泛、成本较低,是一类非常有发展前途的新一代高能超级电容器电极材料。作为过渡族金属氧化物中的重要一员,四氧化三钴(Co3O4)的理论比容量高达3560 F/g,然而过渡族金属氧化物往往存在导电性差等问题,导致其实际比容量不高、能量密度比锂离子电池小,这些因素都严重限制了其潜在的储电能力的发挥,无法满足其在超级电容器储能器件中的应用。

兰州大学物理科学与技术学院的彭勇教授和薛德胜教授及其他们的课题组针对这一问题进行了深入而细致的研究,并通过化学浴的方法制备得到三维网络结构(3DN)的金属Co,这种三维网络结构的Co是由厚度小于10 nm的纳米片相互连接而形成的,并通过后期空气中热处理过程使三维纳米网络结构的Co表面热氧化,得到了具有三维网络核壳结构的Co@Co3O4 (Co@Co3O4 3DN)。这种“天然”的金属/金属氧化物核壳结构保证了这两者之间充分的接触,为其在电化学能量存储领域的应用提供了良好的结构基础。基于这种Co@Co3O4 3DN为电极的超级电容器显示出优异的电化学储能性能,最高比电容达到了1049 F/g,即使是在负载量为3.52 mg/cm2时容量也能达到850 F/g。电化学储能性能的提高主要归功于这种金属(Co)/金属氧化物(Co3O4)特殊的三维网络核壳结构:纳米三维网络结构提供了较高的比表面积及供电解液迁移和传递的等级孔结构;核壳结构中的“核(金属Co)”作为导电网络,极大的提高了电极中氧化还原反应的电子迁移效应。主要工作由博士研究生张俊丽和傅杰财完成,相关成果发表在Small, 2014, 10, 2618-2624

该方法克服了传统方法中活性物质材料(过渡族金属氧化物)与导电通道材料间的接触问题,从而大大降低了活性物质较高的界面接触电阻。另外,Co@Co3O4 3DN特殊的等级孔结构可以提供较好的电解质离子传输通道,因而这种核壳结构的界面接触电阻和溶液传输阻抗大幅下降。该工作中构筑三维导电网络核壳结构的方法,可以作为一种普适方法,有望促进具有优异电化学储能性能的超级电容器电极材料的发展。

相关工作得到了国家科技部重大科学研究计划、国家自然基金,教育部长江学者和创新团队项目和教育部博士学术新人奖的资助。