稳定高能金属/纳米碳球核壳阵列电极的构建和超电容储能

超级电容Untitled器作为一种新型储能器件,因其优异的快速充放电性能、高功率密度和高循环寿命等特点而成为各国竞相研究的热点。电极材料是超级电容器的核心部件,也是决定其性能的主要因素。碳基材料是研究最早也是最被广泛应用的超电容材料,主要应用于双电层电容器。碳基材料由于具有超大比表面积和极小的双电层间距从而形成超大电荷储存能力。然而,目前的碳材料在高功率工作条件下的比电容和能量密度偏低, 导致其无法满足大容量储能领域的使用要求,严重影响其商业推广应用。超级电容器电极材料的性能主要受材料本身的电化学反应活性以及电极反应动力学控制,即电子离子的传输特性。因此,构建高活性且具有快速电化学反应特性的碳电极对发展兼具高能量密度和高功率密度特性的新型超电容电极材料具有重要意义。

新加坡南洋理工大学范红金教授课题组针对普通的超电容碳粉体电极高功率性能不理想的问题,从兼顾高能、电极动力学和材料结构稳定性出发,采用电化学模板法结合水热法可控制备了结构及成分可调的金属/纳米碳球核壳阵列电极,其中对金属镍/纳米碳球核壳阵列电极进行超电容器件组装及电化学测试。研究结果表明对空心金属和纳米碳球的阵列化组装能有效提高电极反应动力学,加快电子离子传输,并提高高倍率性能以循环性能。该类型的核壳组装利用空心金属的高孔隙及高导电率为活性纳米碳球提供快速电子离子输运通道。同时外壳中的纳米碳球的相互链接多孔结构能为相互比邻的碳球提供结构保护和电子离子传输通道。结果表明金属镍/纳米碳球核壳阵列电极的比电容可达227 F/g (2.5 A/g),且在10 A/g工作电流密度条件下循环4万次比电容保持率达97 %,且循环后结构稳定,未见解体现象, 相关结果发表再Advanced Energy Materials上。