磷酸根离子表面改性:获得高效赝电容电极的新思路

未来社会实现由油气时代到可再生能源(太阳能、潮汐、风能等)时代的跨越,需要首先解决可再生能源不连续性以及不稳定性所导致的难以大规模利用的瓶颈。高效的储能器件的研制开发是解决这一瓶颈的关键。超级电容器作为一种新型的功率补偿和储能装置,是高效储能器件的重点发展对象之一。以金属氧化物作为电极的赝电容超级电容器,通过利用多重价态间的氧化还原反应,可以获得更高的比电容量以及能量密度,具有比双电层超级电容器更广泛的应用前景。然而,实际应用中赝电容电极材料表面反应活性低、电子传导性能差,综合性能难以满足快速发展的电子器件的需求。因此,开发出基于快速反应,电子传导性能优异的赝电容电极材料对高性能超级电容器的发展意义重大。

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近日,来自南京理工大学的夏晖教授的研究团队报道了一种磷酸根离子(H2PO4、PO3)对多种金属氧化物(如四氧化三钴、氧化铁、氧化镍)电极材料进行表面改性的普适方法,通过不同磷酸根离子对Co3O4超薄纳米片电极进行表面改性。提出了改性过程中超薄纳米片表面形貌演化机理以及磷酸根离子加快电极反应动力学的机理。经过引入H2PO4以及PO3,Co3O4电极比电容量有七倍的提升,在5 mV/s的扫速下获得了1716 F/g的比电容量。并且,经过10000圈的充放循环依然有85%以上的电容保持率。表面改性所带来的独特形貌的变化,以及不同磷酸根离子对电极反应的积极作用是Co3O4电极性能提高的主要原因。有趣的是,这种方法在其它金属氧化物比如Fe2O3,NiO等电极上也表现出了出色的效果。基于磷酸根离子改性氧化钴正极以及三维石墨烯负极研制的非对称超级电容器在1.5V 的工作电压下获得了71.58 Wh/kg的能量密度(功率密度1500 W/kg)。综合而言,这种电极表面改性方法为获得基于高效赝电容反应的高性能赝电容超级电容器提供了新的思路。

本工作在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604167)上,第一作者为南京理工大学翟腾博士。