Small:缺陷工程—基于原位结构重建金属有机框架衍生物电极并构建高性能固态超级电容器

柔性固态超级电容器作为一种新兴的能源供应系统,以其高机械可弯曲性、快速充放电和高功率密度等优点引起了人们的广泛关注。同时它也避免了传统电容器中电解液容易泄漏而导致的电池安全问题。然而,大多数已开发的柔性固态超级电容器的能量密度仍然低于锂离子电池,严重阻碍了超级电容器在柔性耗能系统中的应用。一般情况下,电池型材料的超级电容器比容量大,但由于电极材料在循环过程中离子扩散速度慢,电子传递动力学慢,从而导致其速率性能较低,循环稳定性差。因此,降低颗粒尺寸,增加其电活性表面积、与导电碳结合、利用缺陷工程等方法,有可能将电池型材料转化为“外源性”赝电容材料。

近日,韩国延世大学机械工程学院刘书德博士(第一作者)在Seong Chan Jun教授(第一通讯作者)、北京化工大学张利鹏教授(共同通讯作者)和澳门大学K.N. HUI教授(共同通讯作者)的指导下提出了一种原位结构重建策略,以Co−LDH为前驱体和自牺牲模板,在碳布衬底上合成定向Co−MOF纳米线。经过热解、氧化、磷化处理后,超精细的P-Co3O4颗粒原位嵌入到P, N-C纳米线阵列中,形成P-Co3O4@P, N-C复合结构。

该复合结构有效阻止了结构团聚,并提供了丰富的电活性位点,改善了材料的电化学性能。理论计算与实验结果表明,P-Co3O4和P, N-C中的P原子可以有效地调整其电层结构,降低电解液中OH离子在活性位点的吸附能,促进P-Co3O4 @P, N-C上的电化学反应动力学过程。这些特性加快了电子传输与转移能力,从而在1 mA cm2电流密度下提供669 mC cm2的高比电容,同时具有良好的速率性能和优异的循环稳定性(在30 mA cm2时76.7%的容量被维持)。作者采用P-Co3O4@P, N-C作为正极和Co@P, N-C作为负极组装成柔性固态非对称超级电容器。该器件在750 W kg1的功率密度下,能量密度为47.6 W h kg1,并具备优异的循环稳定性和机械柔性。本研究提出的设计理念可为下一代高性能柔性超级电容器电极的构建与设计提供借鉴和指导。

文章发表于能源领域国际顶级期刊 Small(DOI: 10.1002/smll.201906458),题为“Phosphorus Regulated Cobalt Oxide@Nitrogen-Doped Carbon Nanowires for Flexible Quasi-Solid-State Supercapacitors”。