Small:木材基厚电极储能应用新进展

对于超级电容器技术的推广而言,实现优异的面积和体积电容至关重要。然而,传统的超级电容器在保持高倍率性能的同时,很难通过增加电极厚度提高其电化学性能。因此,对于厚电极来讲,保持稳定的面积/体积电容和倍率性能,目前仍然是一个严峻的挑战。另一方面,NiCo2S4因其丰富的电化学活性位点、低成本和高理论电容而被认为是理想的赝电容电极。但是,由于在高电流密度下缓慢的表面反应动力学,其循环性能和倍率性能仍受到严重阻碍。基于此,开发一种可普适化的策略提升基于NiCo2S4厚电极的电化学性能变得尤为重要。

南京林业大学蒋少华团队将木材衍生碳材料的优异多级结构与NiCo2S4相结合,通过热解和电沉积双重合成策略,首次制备出以碳化木材(WC)为载体、Ag纳米颗粒为夹层(增强其循环与倍率性能)和NiCo2S4纳米片组成的多级结构复合电极(图1),该材料可明显改善电极的面积与体积电化学性能。得益于上述优点,分层组装的WC@Ag@ NiCo2S4电极表现出卓越的面积电容为6.09 F/cm2,经10000次循环仍可维持其容量的84.5%。此外,以WC@Ag为阳极,WC@Ag@NiCo2S4为阴极的混合电容器具有高达0.59 mWh/cm2/3.93 mWh/cm3的面积/体积能量密度。与大多数已报导的相同规模厚电极相比,本文中混合电容器的性能有很大的提高。更为重要的是,经过理论计算(图2)验证出性能的提高来自于OH吸附能的降低和Ag原子d带中心的下降,从而促进电子传输和离子转移。

图1. 木材衍生WC@Ag//WC@Ag@NiCo2S4组装的混合超级电容器
图2. a) WC@Ag表面Ag4团簇的三维模型;b)电荷密度差;c) WC@Ag模型上Ag d轨道的预估态电荷密度;d) WC@Ag@NiCo2S4表面Ag4团簇的三维模型;e)电荷密度差;f) WC@Ag@NiCo2S4模型上Ag d轨道的电荷密度。

论文第一作者为南京林业大学博士生王峰,共同一作为武汉理工大学博士生刘晓琳、南京林业大学段改改副教授,通讯作者为南京林业大学蒋少华教授、北新建材杨皓奇博士、武汉理工大学赵焱教授和韩国先进技术研究院(KAIST) Il-Doo Kim教授。该成果得到了国家自然科学基金项目(51803093和51903123),江苏省自然科学基金项目(BK20180770和BK20190760),以及南京林业大学标志性成果培育项目等的资助。

第一作者简介

王峰,博士,2018至2021年于南京林业大学获博士学位,随后前往澳门大学从事博士后研究工作,主要从事木材衍生碳基电极在电化学储能中的应用研究。目前已在Adv. Funct. Mater., Small, Chem. Eng. J., Appl. Energy, Chin. Chem. Lett. (2)等高水平杂志上发表多项研究工作。

通讯作者简介

杨皓奇,博士,现任职于北新集团建材股份有限公司。2018至2021年于吉林大学获博士学位,博士毕业后加盟北新科学院新型建材国家重点实验室(筹)工作,研究方向为无机非金属材料在节能、舒适建筑中的应用及生产工艺优化。近三年来以第一作者及通讯作者身份在Energy Environ. Sci., Appl. Catal. B: Environ., Small, J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.等期刊上发表SCI论文十余篇,研究工作被WileyChem, X-MOL, 高分子科学前沿,材料人,能源学人等学术媒体进行报道和评述。已申请国家发明专利1项,参与国家自然科学基金面上项目2项。

赵焱,湖北省“百人计划”专家,武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室首席教授,武汉大学工业科学研究院二级教授,博导。主要从事计算化学、纳米材料模拟、新能源材料开发和3D打印的研究工作,赵焱是美国惠普公司3D打印技术的主创人员之一,获美国和国际专利25项,在其研究领域的国际权威刊物上发表高水平研究论文80余篇,SCI引用超过36000余次,其中一篇论文单篇引用超过12000次,H因子为50,10年来的高被引文章(Highly Cited Papers)为9篇,2014-2017连续4年都被美国汤森路透集团和科睿唯安公司列入全球高被引科学家名单。

蒋少华,教授,主要研究方向包括纤维及其应用,三维多孔材料,能源存储材料,木质基功能材料,取得了丰富的成果,获得了国内外同行的广泛关注。获得国家自然科学基金青年项目1项,江苏省自然科学基金青年项目1项,南京市人社局留学人员科技创新项目1项,南京林业大学标志性成果培育计划项目2项(30万+40万)。作为研究骨干参与国家自然科学基金面上项目2项,江西省科技厅重大项目1项,江西省教育厅重点项目1项。成功入选2017年第八批“江苏特聘教授”,以及2018年江苏省第十五批“六大人才高峰”高层次人才。担任SCI期刊“E-POLYMERS”副主编,中国科技期刊卓越行动计划SCI期刊“Chinese Chemical Letters”青年编委。担任材料领域和化学领域等90余个期刊的审稿人,年均审稿100余篇。迄今为止,已发表论文论著110余篇,其中包括领域内高水平期刊Adv. Mater. (2), Energy Environ. Sci, Nano Today, Angew. Chem. (2), Adv. Funct. Mater. (3), Chem. Eng. J. (3), J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interface (8), Research 等,论文被引总计4800余次,H因子40,入选ESI高被引论文6篇,ESI热点论文1篇,10篇引用超过100次。

论文信息:

Wood-Derived, Conductivity and Hierarchical Pore Integrated Thick Electrode Enabling High Areal/Volumetric Energy Density for Hybrid Capacitors

Feng Wang, Xiaolin Liu, Gaigai Duan, Haoqi Yang*, Jun Young Cheong, Jiyoung Lee, Jaewan Ahn, Qian Zhang, Shuijian He, Jingquan Han, Yan Zhao*, Il-Doo Kim*, Shaohua Jiang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102532.

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102532