Advanced Energy Materials:BaCoF4电极定向活性离子通道构筑增强电化学电容器性能

电化学电容器作为一种环保型的可再生能源装置,一直受到人们的广泛关注。与传统意义上的电池相比,超级电容器拥有更快的充放电速率、工作温度范围宽、充放电循环寿命长、功率密度高等特点,越来越多的科研工作者的研究致力于提高器件的功率密度和能量密度。对高性能电化学电容器的日益增长的需求促使研究人员在提高表面积、电子/离子电导和化学稳定性方面寻求更好的新电极材料。但想要合理设计出具有超高储能性能的最佳电极材料,还需要对材料的结构特性有充分的认识,对电荷存储、运输的机制有更深刻的认知。

长期以来,减小活性平面的颗粒尺寸和制备特定形貌的电极材料是电化学领域的主要设计策略。提高电化学性能最有效的方法是使得拥有大量活性位点的晶面暴露出来,但涉及的活性位点可能没有得到充分利用,或原子表面构型可能掩盖了活性。胡万彪研究课题组提出了一种基于“活性离子隧道定向”策略的新型结构设计,以克服上述不足,同时提高活性位点的效率。以过渡金属氟化物BaCoF4为基体材料,通过十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂沿活性方向控制尺寸变小。活性取向有利于打开电解液中OH等离子通道,使得OH-离子在电解液中的扩散变得更加容易,同时电子也能够在CoF6八面体当中跃迁,进一步增加了电化学电容器充放电的能力,充分发挥体系中Co2+/Co3+阳离子的氧化还原作用,使电化学氧化还原反应充分从而提高电化学性能。通过激活离子通道定向设计构造适合电子跃迁和离子扩散的离子通道极大地提高了充放电激活过程的效率,在6 M KOH电解液中,在1 A g-1的电流密度下处获得了692 F g-1的高比电容,比未定向设计BaCoF4块体电极材料高5倍。基于定向BaCoF4的非对称电化学电容器(AEC)在1.025 kW kg-1的功率密度下具有超高的能量密度(147.7 Wh kg-1),优于大多数现有的AEC体系。

该研究为电化学电容器电极材料的设计提供了一种全新的思路,相关工作发表在Advanced Energy Materials上。云南大学材料与能源学院胡万彪教授和南方科技大学物理系谢林副教授为论文共同通讯作者。

论文信息:

Significantly Enhanced Electrochemical Redox for High-Performance Electrochemical Capacitor via Active Ion-Tunnel Oriented BaCoF4 Electrodes

Changjin Guo, Jiyang Xie, Jing Wang, Lun Li, Zhu Zhu, Lin Xie, Yongyun Mao, Wanbiao Hu

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202003734