钴酸镍“整形”的新方法——借助碳点调控及其在混合型超级电容器中的应用

碳点作为一种新型的廉价、低毒、分散性好的零维碳材料主要应用于荧光探针、光催化、光电转换等领域。最近,人们发现碳点在电化学储能领域也将大有可为。例如,碳点与金属氧化物的复合能够使后者的循环寿命以及倍率性能得到大幅度改善。碳点的复合还能使电极材料活性组分在充放电过程得到有效而充分的保护,从而避免了其在此过程中的脱落与流失。而对于金属氧化物材料来讲,影响材料整体的倍率性能和循环寿命的症结就在于较差的电子导电性与循环过程中材料的体积膨胀脱落等问题。虽然通过复合石墨烯、碳纳米管以及导电高分子等材料可以部分解决以上问题,但是这些材料的包覆均一度较差,制备过程繁琐,材料价格昂贵,难以做到实际应用。

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复旦大学熊焕明教授和王永刚教授利用高分散性碳点作为与钴酸镍的复合材料,通过一步水热法与后续煅烧得到了碳点与钴酸镍的复合材料。实验结果显示,碳点可以作为一种有效的工具去调控复合材料的整体形貌,从海胆状、毛栗状、花瓣状直至杨梅状。除整体形貌外,碳点还能在局部方面做到“细致入微”,即有效削减“海胆刺”的粗细,“花瓣”厚度以及“杨梅”表层颗粒的直径。通过碳点的“精心”修整,复合材料的电化学性能得到了大幅度提升。倍率性能方面,最优的花瓣状材料达到了75.2%,远优于钴酸镍单晶的29.5%。在不同的高电流密度下,经1万次充放电循环其容量保持率均接近100%。此材料与多级孔碳材料组成的混合型电容器的最大能量密度更是达到了62.0 Wh Kg-1(电流密度为1 A g-1),而在不同电流密度下的循环测试结果也同样接近于100%。这些指标在已经报道的钴酸镍改性材料中处于领先水平。此项研究表明,碳点在电化学储能材料以及材料形貌的精准调控方面都显示出巨大的前景和优势。相关工作发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201602164)上。