Small Structures:基于多级碳纳米管/磷化镍纳米复合材料的高性能超级电容器

超级电容器(SC)具有高功率密度、良好的循环稳定性和快速的充放电速率等优点,是一种新兴电化学储能装置。但其与电池相比,传统超级电容器具有能量密度低的短板。因此制备出同时拥有高能量密度和高功率的超级电容器是目前研究的难点之一。

设计并制备出新型电极材料是制造高性能超级电容器是关键。碳纳米管因拥有重量轻、表面面积高、和寿命稳定等优点而得到了广泛的应用。但其能量密度很低(只有1-10几 Wh kg−1)。而纳米磷化镍正好与之相反,其虽然具有极高的能量密度,但是其在充放电过程中易发生体积膨胀,导致其性能衰减过快,寿命稳定性差。因此,设计并制备具有高比表面积的碳纳米/磷化镍复合纳米材料,通过该两种材料之间的协同互补效应,可实现兼具有高能量密度和高功率的超级电容器。

近日,贵州大学材料与冶金学院许晶团队与德国锡根大学姜辛、杨年俊教授课题组联合报道了一种低成本、高性能的基于多级一维(1D)碳纳米纤维(CNFs)/三维(3D)磷化镍纳米复合薄膜电极的超级电容器的工艺方法。该方法不仅去除了高成本的金属泡沫集流板和额外的高分子粘合剂,简化了电极的构建,而且制备所得的纳米复合材料具备作为电极所需要众多优秀性能(如:极高的表面积、高导电性、高稳定性等)。这为制造高性能、低成本的超级电容器器件提供了一种新的思路,进一步缩小了现实与商业化之间的差距,有望推动下一代高性能超级电容器的发展及应用。

研究人员首先合成Ni5TiO7/TiO2复合材料作为先驱体,通过等离子增强化学气相沉积法(MWCVD)将1D的Ni5TiO7纳米针原位转化为3D交错互联的磷化镍纳米颗粒。该磷化镍纳米颗粒作为后续生长CNFs的催化剂,在含碳氢的气氛下碳化并生长并获得了CNF@磷化镍纳米颗粒的复合纳米材料电极。同时,TiO2也被碳化成高导电性的TiC层。为探索微观结构在原位转换过程中的变化,作者通过观察纳米材料的形貌和成分的变化,提出在碳氢气氛下纳米复合材料的转化机制是由氢还原-吸附碳化-迁移生长三步组成。

图1. Ni5TiO7 纳米针的SEM俯视图(a,c)和刨面图(b,d)在经MWCVD 处理之前(a,b)和之后(c,d)的 SEM 照片对比。

图2. CNFs@磷化镍纳米复合电极在不同条件下的电化学性能。

经过试验研究发现通过1D纳米针转化成具有3D层状结构且交错互连的纳米磷化镍不仅可作为生长一维CNFs的催化剂,而且还充当电极的导电网络。其表面的多孔结构为电解液提供了流通通道,从而减少了电子的传输损失,增加了电极的有效面积。因此该复合电极在5 mA cm-2的电流密度下比电容高达59.3 mF cm-2,在循环10000圈后,容量仍可保持在95%。基于该电极的超级电容器储能器件的能量密度高达27.4Wh kg-1,功率密度能达到7.25 kW kg-1。因此该复合纳米电极保留了传统超级电容器的高功率密度、高稳定性的优点,其能量密度甚至可接近媲美于锂电池。

许晶,德国卡尔斯鲁厄工业大学(KIT)硕士毕业。2015年进入德国锡根大学材料工程研究所工作,并攻读博士,从事表面与材料技术相关研究。主要负责德国科学基金(DFG)以及德国联邦经济事务和能源部(BMWi)项目。研究方向为:纳米氧化物功能薄膜、掺硼金刚石复合薄膜的制备及其在环境催化、超级电容器及水处理等相关领域应用。2020年9月加入贵州大学材料与冶金学院。

邮箱:jxu8@gzu.edu.cn

杨年俊,德国锡根大学任高级研究员及纳米课题组组长。主要从事纳米氧化物及金刚石、碳纤维等碳材料的制备及其在环境催化、电化学传感、能量存储等基础和应用研究。

邮箱:nianjun.yang@uni-siegen.de

姜辛,德国锡根大学 C4 级终身教授,中国科学院金属研究所特聘研究员,中国科学技术大学博士导师。德国亚琛工业大学自然科学博士,德国布伦瑞克技术大学材料科学博士(Dr.rer. nat.habil.),材料科学家。曾任德国弗朗霍夫表面工程和薄膜技术研究所(FhG-IST)资深科学家(Senior Scientist)、德国锡根大学材料研究所执行所长、锡根大学材料创新中心主任、德国锡根大学机械工程系博士学位委员会主席、沈阳材料科学国家(联合)实验室、功能薄膜与界面研究部主任、物理研究所和硅酸盐研究所客座教授、香港城市大学客座教授、德国科学基金会(DFG)、洪堡基金会(AvH)、及以色列和香港城市大学的科学基金评审专家;中国科学院海外评审专家、大连理工大学长江学者讲座教授。

从事研究领域为:1.功能薄膜的生长设计与可控制备;2.纳米新材料的合成与物性研究;3.材料界面设计及机理研究;4.薄膜及纳米新材料的表面功能化

邮箱:xin.jiang@uni-siegen.de

论文信息:

Hierarchical Carbon Nanofibers@Nickel Phosphide Nanoparticles for High-Performance Supercapacitors

Jing Xu, Anna Schulte, Holger Schönherr, Xin Jiang*, Nianjun Yang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100183

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100183