Одностадийный синтез мезопористых нанопроволок карбонизированного гидроксида кобальта, легированных хлором, для электродов высокоэффективных суперконденсаторов

Введение

Как своего рода устройство накопления и преобразования энергии, суперконденсатор привлек огромное внимание из-за его быстрой зарядки и разрядки, высокой плотности мощности, длительного срока службы и высокой надежности [1, 2]. В последние годы он дополнил дефицит традиционного оборудования для хранения и преобразования энергии во многих важных областях применения и перспективных областях, таких как военное электронное оборудование, электромобили, портативные компьютеры и т. Д. [3,4,5,6,7]. Как правило, суперконденсаторы можно разделить на два типа в соответствии с их различными механизмами хранения электронов:традиционные электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые накапливают энергию путем накопления зарядов в двойном электрическом слое за счет электростатических взаимодействий, и псевдоконденсаторы, которые накапливают энергию за счет окислительно-восстановительного потенциала Фарадея. реакция на поверхности электрода [8,9,10,11]. Среди различных материалов с псевдоемкостью оксид рутения демонстрирует превосходные электрохимические характеристики, но высокая стоимость, низкая пористость и токсичность сильно ограничивают его коммерческое применение [12]. Поэтому некоторые более дешевые и экологически чистые, но высокоемкостные оксиды / гидроксиды металлов, такие как NiO, Co ₃ О ₄ , Fe ₃ О ₄ , Fe ₂ О ₃ , V ₂ О ₅ , Co (OH) ₂ , и Ni (OH) ₂ стали наиболее перспективными кандидатами [13]. Co (OH) ₂ , демонстрирующий очевидные преимущества четко определенных обратимых окислительно-восстановительных реакций с высокой теоретической удельной емкостью, считается особенно привлекательным потенциальным материалом [14]. Исследование показало, что высокие емкостные характеристики отражаются в особой морфологической структуре с высокой удельной поверхностью [6, 15,16,17,18]. Из предыдущих отчетов Махмуд и его сотрудники синтезировали карбонизированный гидроксид кобальта с примесью хлора (Co (CO ₃ ) _0,35 Cl _0,20 (ОН) _1,10 1.74H ₂ O) нанопроволоки с необычайной емкостью и превосходной плотностью энергии, а также с высокими скоростными характеристиками и стабильностью. Считается, что такая высокая емкость и плотность энергии объясняются уникальной структурой Co (CO ₃ ) _0,35 Cl _0,20 (ОН) _1,10 нанопроволоки, гидрофильная природа которых может значительно улучшить смачиваемость поверхности электрода, а также наличие анионов стабилизатора противоструктурной структуры (Cl ^- или / и CO3 ^2- ) эффективно контролирует поляризацию электрода [19]. Вдохновленный превосходством такой работы, перспектива с точки зрения оптимизации структурных и электрохимических свойств путем легирования некоторых элементов в Co (OH) ₂ предусмотрено.

В то же время, чтобы получить высокую удельную поверхность и другую особую морфологию, исследователи начинают вводить новшества в структуру [17, 20, 21, 22, 23]. Когда активный материал был прикреплен к другой поверхности электродного материала, он мог образовывать пакетную структуру ядро-оболочка или слоистую трехмерную структуру, которая могла бы обеспечить эффект контакта активного материала и ионов электролита в повышении эффективности реакции. Например, Шуде Лю и его сотрудники предложили электрод суперконденсатора, содержащий трехмерные самоподдерживающиеся иерархические двойные гидроксиды MnCo @ Ni (OH) ₂ [MnCo-LDH @ Ni (OH) ₂ ] гетероструктура ядро ​​– оболочка на проводящей пене никеля [24]. Полученный MnCo-LDH @ Ni (OH) ₂ Структура продемонстрировала высокую удельную емкость 2320 Ф / г при плотности тока 3 А / г, а емкость 1308 Ф / г поддерживалась при высокой плотности тока 30 А / г с превосходным длительным сроком службы. Однако из-за различных характеристик материалов метод приготовления сталкивался с проблемами сложной работы, суровых условий реакции и низкой вероятности успеха. Поэтому очень желательно иметь более удобное средство подготовки для получения однородных и упорядоченных электродных материалов с высокими электрохимическими характеристиками [25].

В этой статье мезопористые нанопроволоки карбонизированного гидроксида кобальта, легированные хлором (Co-ClNW), выращиваются непосредственно на пене никеля для подготовки пенного никелевого электрода (Co-ClNW (NiE)) простым одностадийным гидротермальным методом на основе эксплуатационные преимущества Co (OH) ₂ . Испытание электрохимических характеристик выполняется с использованием Co-ClNW (NiE) непосредственно в качестве рабочего электрода, что обеспечивает ключевую меру для повышения как удельной емкости, так и плотности энергии для разумной реализации внутренних активных центров объемных материалов для хранения энергии. Между тем, сравнение характеристик выполняется с использованием обычного электрода. Он обеспечивает реальный эталонный метод увеличения емкости и разработки приложений кобальта, а также предлагает новые идеи по структуре и производству конденсаторов в будущем.

Методы

Синтез Co-ClNW на пене Ni

Пену Ni получали от Canrd Co., Ltd., Китай. Перед использованием его обрабатывали 0,5 М HCl под действием ультразвука в течение 0,5 часа, а затем сушили при 80 ° C в течение 12 часов после промывания большим количеством деионизированной воды и этанола для удаления поверхностных ионов. Все остальные химические вещества были аналитической чистоты и были закуплены у Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. в Китае без дополнительной обработки перед использованием.

Во-первых, 3,5 г CoCl ₂ · 6H ₂ O и 0,9 г CO (NH ₂ ) ₂ растворяли в 100 мл деионизированной воды при перемешивании магнитной мешалкой в ​​течение 30 мин до полного диспергирования и растворения твердого вещества. Затем полученный гомогенный раствор переносили в автоклав из нержавеющей стали с несколькими чистыми пенами никеля, закрепленными зажимами из нержавеющей стали (качество пены никеля было измерено заранее), убедившись, что пены никеля полностью погружены в воду, и поместили при 120 ° C с тепловая реакция 20 ч. После охлаждения до комнатной температуры пены никеля были извлечены и промыты деионизированной водой для удаления примесей, приставших к поверхности. Наконец, образцы были отобраны в вакууме, высушены в печи в течение 10 часов для использования.

Характеристики материалов

Структуру и морфологию продуктов анализировали с помощью автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (SEM MIRA3 TESCA) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM FEI Tecnai). Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) получали с помощью дифрактометра SIEMENSD500 с Cu Kα-излучением (λ =0,15056 нм). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) была проведена на ESCALAB 250 с излучением Al Kα для изучения химического состава и химического валентного состояния образцов. N ₂ Изотермы адсорбции-десорбции были получены с помощью прибора ASAP 2020 при 77 К. Методы BET и QSDFT, соответственно, использовались для определения удельной поверхности и распределения пор материалов по размерам.

Электрохимические измерения

Электрод из Co-ClNW (NiE) обрабатывали под давлением 8 МПа с геометрической площадью, массовой нагрузкой и толщиной 1 см ^-2 . , 3 мг и 0,25 мм. соответственно. Для характеристики электрохимического поведения (Co-ClNW (NiE)) использовалась электрохимическая рабочая станция CHI660E (Ченхуа, Шанхай) в трехэлектродной электрохимической ячейке с противоэлектродом Pt и электродом сравнения Hg / HgO в 6 M растворе KOH. . В процессе испытаний наблюдались измерения циклической вольтамперометрии (CV), гальваностатического заряда и разряда (GCD). Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) была протестирована путем приложения переменного напряжения с амплитудой 5 мВ в частотном диапазоне от 0,01 Гц до 100 кГц при потенциале холостого хода. Продукты, полученные в том же эксперименте, но без роста на пене никеля, также были собраны для получения рабочих электродных пластин (Co-ClNW (E)), изготовленных методом приклеивания политетрафторэтилена (PTFE). Удельная емкость образцов рассчитывалась по формуле (1):

где C - удельная емкость (Ф / г), I - ток (A), Δ t время разряда (с), Δ V - потенциальное окно (V), а m - масса электроактивного электрода (г).

Кроме того, асимметричный суперконденсатор с электродом из Co-ClNW (NiE) (положительный электрод) и активированным углем (переменный ток, отрицательный электрод) были испытаны в двухэлектродной конфигурации. Оптимальное соотношение масс положительного и отрицательного электрода было рассчитано по приведенному ниже уравнению:

где м означает массу активных материалов, C представляет собой удельную гравиметрическую емкость, а V - потенциальное окно (в трехэлектродной конфигурации). Для получения электрохимических характеристик удельная емкость, удельная плотность энергии и удельная плотность мощности ячейки были соответственно рассчитаны в соответствии с:

где I (A) показывает ток заряда / разряда, м (g) представляет собой общую активную массу двух электродов, Δt (с) означает время разряда, ΔU (V) - потенциальное окно, а C _c (F g ⁻¹ ), E _c (Вт ч кг ⁻¹ ) и P _c (Вт кг ⁻¹ ) - удельная емкость, плотность энергии и удельная мощность ячейки соответственно.

Результаты и обсуждение

Характеристика Co-ClNW (NiE)

СЭМ-изображения на рис. 1 показывают морфологию свежеприготовленных Co-ClNW на пене никеля. Из рис. 1а ясно видно, что сама сетка из пеноникелевого покрытия имеет многослойную структуру. Связка электродов, образованная трехмерной структурой пены никеля, очень похожа на связку губки, обеспечивая естественный каркас для роста материалов [26]. На рисунке показано, что материал плотно покрыт пеноникелем. Увеличение изображения представлено на рис. 1b, из которого мы обнаружили, что игольчатые материалы расположены в шахматном порядке, демонстрируя, что структура роста не вызывает сжатия пространственной структуры, а образует естественный трехмерный пространственный зазор. Эта отличительная структура может обеспечить больше путей для притока и реакции электролита, что полезно для материала электрода, хорошо контактирующего с электролитом [27]. На рис. 1c, наблюдая за материалом, выращенным на поверхности пены никеля, мы обнаруживаем, что материалы, подобные цветущим цветам, взаимосвязаны друг с другом, что способствует быстрому переносу электронов, таким образом улучшая характеристики скорости и уменьшая потери энергии. Увеличенное изображение на рис. 1d показывает поверхность пены никеля с каркасом материала в результате гидротермального образования, и они демонстрируют переплетенную структуру упорядоченного соединения, которая представляет собой плотно сплетенную проводящую сеть. Как известно, электрод, полученный методами приклеивания ПТФЭ, имеет тенденцию вызывать проблемы, такие как неравномерное покрытие, и не имеет естественной пространственной структуры, что легко приводит к резкому сокращению доступного пространства и удельной площади поверхности, снижает использование экспериментальных материалов, и в конечном итоге приводит к значительным различиям в характеристиках [28]. Таким образом, по сравнению с этим электродом нет сомнений в том, что структура Co-ClNW (NiE) имеет преимущество в сокращении расстояния передачи электронов и ионов, так что проводимость материала значительно улучшается, обеспечивая хорошую подстилку для электрохимический тест [29].

а Слоистая структура пены никеля (на рисунке показан материал, прикрепленный к пене никель). б Внешний вид материала наблюдается при большом увеличении. c Морфология мономерного цветка. г Каркас материала сформирован на поверхности вспененного никеля

Для дальнейшего изучения превосходства электрода из Co-ClNW (NiE) после завершения электрохимического теста выполняется тест SEM. Как видно из фиг. 2а, пена никель после обработки экструзией все еще имеет иерархическую структуру, и поверхность пены никеля плотно покрыта материалом. Как мы знаем, выступы в масштабе микро / нанометров изготавливаются на коммерческой пене никеля (токоприемник), которая может усиливать его активные центры [30]. Более высокая площадь поверхности токосъемника означает большую площадь контакта между токосъемником и активным материалом, что может повысить перенос электронов и ионов во время электрохимических реакций. Хорошая проводимость может обеспечить отличную скоростную способность емкости при высоких плотностях тока, так что плохая проводимость составного материала на основе Co в значительной степени улучшается, что подтверждается тем, что гораздо больше игольчатых нанопроволок внедряются в пустоты пены никеля при высокой плотности. увеличение [31]. На рис. 2c, d увеличенное изображение показывает, что нанопроволоки расположены близко к каркасу, сформированному на вспененном никеле, так что пространство подложки полностью используется для использования активных материалов для хранения энергии. Это структурное преимущество, которым не обладают Co-ClNW (E), полученные методом прилипания ПТФЭ. Метод подготовки электродов из Co-ClNW (NiE) предлагает полезный и жизнеспособный подход, который может полностью улучшить характеристики материала.

а СЭМ-изображение испытанного электрода из Co-ClNWs (NiE). б СЭМ-изображение материала, внедренного в прослойки пены никеля. c , d СЭМ-изображения близко расположенных наростов на каркасе из пеноникелевого никеля при большом увеличении

Электронно-микроскопические изображения нанопроволок Co-ClNW (соскобленных с продуктов из пеноникеля) показаны на рис. 3. Изображение на рис. 3а показывает, что извлеченный материал остается игольчатой, которая принадлежит к монокристаллической структуре, как показывает электронография. (SAED) паттерн выбранных нанопроволок на рис. 3б. Игольчатые нанопроволоки, показанные на рис. 3c, вырастают примерно на несколько микрон в длину с диаметром примерно в десятки нанометров, что указывает на большое соотношение сторон. Судя по появлению Co-ClNW с большим увеличением на рис. 3d и рис. 3e , Установлено, что поверхность материала близко выровнена с мономером, диаметр которого составляет около 3–10 нм. Глубокая диффузия ионов в кристаллических материалах всегда считалась сложной проблемой, поскольку ионы электролита не могут диффундировать по всему материалу, если толщина кристаллического материала составляет более 30 нм. Таким образом, в нашем случае структура Co-ClNW способствует диффузии электролита, поскольку размер мономера материала составляет примерно 3–10 нм, что сокращает расстояние диффузии электролита и уменьшает длину пути реакции и сопротивление [ 32]. Этот фактор в основном позволяет эффективно использовать все материалы в окислительно-восстановительной реакции Фарадея. Кроме того, такая компоновка придает материалу заметный мезопористый вид, что может значительно увеличить проникновение электролита в материалы, поскольку ионы электролита не могут проникать в ультратонкие поры с диаметром пор менее 2 нм, хотя эти поры могут соответствовать более высокому удельному диаметру. площадь поверхности. Как видно из рис. 3d, размер пор материала превышает 2 нм, что относится к категории мезопор и, следовательно, способствует транспортировке электролита [7]. Как можно видеть на рис. 3f, расстояние между полосами решетки рассчитано и составляет примерно 0,508 нм, что соответствует 17,4 °, проиндексированному для пика XRD ниже в соответствии со стандартной картой Co (CO ₃ ) _0,35 Cl _0,20 (ОН) _1,10 1.74H ₂ О (JDPS38-0547).

а ПЭМ-изображения Co-ClNW. б Схема SEAD Co-ClNW. c - е ПЭМ-изображения Co-ClNW при большом увеличении (демонстрирующие мезопористую структуру поверхности на ( d ) частицы компактно расположены с образованием Co-ClNW в ( e )). е ВРЭМ изображения Co-ClNW

На рисунке 4a показана рентгенограмма материала, где все пики хорошо согласованы со стандартной картой (JCPDS 38-0547), подтверждая, что стехиометрический состав нанопроволоки представляет собой Со (CO ₃ ) _0,35 Cl _0,20 (ОН) _1,10 . Из спектров сканирования XPS на рис. 4b мы обнаруживаем, что содержание Co, O, Cl и C составляет почти все элементы в материале, что демонстрирует высокую чистоту. Спектр рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) ядра Co2p (рис. 4c) Co-ClNW представляет два основных пика при энергиях связи 780,84 и 797,04 эВ с разделением спиновых энергий ок. 16 эВ. Эти два пика соответствуют Co2p _3/2 и Co2p _1/2 соответственно и сопровождаются двумя явными сателлитными пиками. Об ионном состоянии хлора также можно судить по наличию спин-орбитальных дублетов при 199,60 и 198,10 эВ, которые можно идентифицировать как Cl2p _1/2 и Cl2p _3/2 сигналов соответственно (рис. 4г).

а Диаграмма XRD, b Спектр обзора XPS, c высокое разрешение спектра Co 2p, d спектр Cl 2p высокого разрешения, e Рамановский спектр и f Распределение пор QSDFT по размерам (вставка:изотермы абсорбции / десорбции N2) Co-ClNW

Чтобы дополнительно получить структуру синтезированных Co-ClNW (NiE), спектр его комбинационного рассеяния показан в диапазоне волновых чисел от 0 до 2000 см ^-1 и показано на фиг. 4e. Четыре полосы комбинационного рассеяния для Co-ClNW (NiE) наблюдаются при примерно 95, 813, 1045 и 1554 см ^-1 может быть отнесен к режиму изгиба для Cl-Co-Cl, режиму деформации Co-O-H, режиму деформации -OH и ν ₃ (CO ₃ ) ^2– режим антисимметричного растяжения, соответственно, предполагающий, что основные компоненты согласуются с тестами выше [33,34,35]. На вставке к рис. 4f показаны N ₂ изотерма адсорбции / десорбции Co-ClNW (NiE), в которой можно наблюдать изотерму типа IV в сочетании с очевидной петлей гистерезиса H3, что свидетельствует о существовании обильного распределения мезо- и макропор на Co-ClNW (NiE) в согласованность с результатом ПЭМ и распределением пор по размерам на рис. 4f. Эта пористая структура с точки зрения взаимосвязанных мезо- и макропор обеспечивает непрерывные каналы для быстрой и беспрепятственной диффузии ионов и, таким образом, обеспечивает хорошую доступность иона в активных центрах. Кроме того, в Co-ClNW (NiE) почти отсутствуют микропоры из-за почти полного отсутствия объемного поглощения N2 при размерах пор от 0 до 2 нм, что отвечает за низкую удельную площадь поверхности (около 5 м 2 / г), но для высокой кристалличности с богатыми активными центрами, подтвержденными вышеуказанным XRD.

Электрохимические характеристики электрода Co-ClNW (E)

Электрохимическое поведение Co-ClNW (E) исследуют с помощью CV и GCD в трехэлектродной ячейке с электродом сравнения Hg / HgO с использованием 6 М КОН в качестве водного электролита. Рисунок 5a соответствует кривой CV, полученной для Co-ClNW (E) при скоростях развертки 2, 5, 10 и 20 мВ / с, на которой все кривые CV являются полными и содержат симметричный окислительно-восстановительный пик. С увеличением скорости сканирования положение пика кривой смещается, указывая на то, что емкостные характеристики обусловлены реакциями активного материала, а сетка пены никеля не участвует в соответствующих химических реакциях. Кривые заряда и разряда Co-ClNW (E) при различных плотностях тока показаны на рис. 5b, при этом типичные характеристики хорошо согласуются с кривыми CV. Удельная емкость электродного материала достигает 975, 950, 900, 825 и 640 Ф / г при плотности тока 1, 2, 3, 5 и 8 А / г соответственно. Несмотря на лучшие емкостные свойства, существует явная значительная разница по сравнению с Co-ClNW (NiE), что видно из рис. 5c. На рисунке 5d показан спектр EIS электрода Co-ClNW (E), и можно получить, что сопротивление Фарадея, отраженное диаметром полукруга, составляет около 2 Ом. Такое большое сопротивление неизбежно приведет к сильному препятствованию электрону в процессе накопления заряда. На рис. 5e мы проводим испытание цикла CV на Co-ClNW (E) и обнаруживаем, что материал все еще может демонстрировать хорошую и полную окислительно-восстановительную кривую, демонстрируя способность материала сохранять свои свойства после 500 циклов испытаний. Следовательно, после исследования электрохимического поведения Co-ClNW (E) мы обнаружили, что Co-ClNW могут стать отличным емкостным материалом, и при поиске простого и легкого материала будут отображаться лучшие характеристики за счет увеличения скорости нанесения активных центров. эффективный способ улучшить ее проводимость.

а CV-кривые Co-ClNW (E) при различных скоростях сканирования. б Кривые гальваностатического заряда и разряда Co-ClNW (NiE) при различных плотностях тока. c Сравнение разрядных кривых двух электродов. г Спектры электрохимического импеданса Co-ClNW (E). е Сравнение кривых CV после 500 циклов Co-ClNW (E)

Электрохимические характеристики электрода Co-ClNW (NiE)

Чтобы изучить оптимизацию электрода Co-ClNW (E), CV-кривые Co-ClNW (NiE) тестируются с той же трехэлектродной конфигурацией и показаны на рис. 6a . Можно заметить, что полная и аккуратная кривая отображается независимо от скорости сканирования:2, 5, 10 и 20 мВ / с. Более того, каждая кривая имеет хорошую окислительно-восстановительную симметрию, которая полностью демонстрирует, что материал имеет превосходные характеристики псевдоемкости [36]. По мере увеличения скорости сканирования уменьшается эффективная площадь использования материала с небольшим сдвигом пика, что приводит к снижению электрохимических характеристик из-за сопротивления и поляризации материала электрода [37, 38]. При более высоких скоростях сканирования мы можем сделать вывод, что Co-ClNW (NiE) обладает высокой способностью к скорости, потому что пики окислительно-восстановительного потенциала видов материала все еще очевидны. Кроме того, ток увеличивается с увеличением скорости сканирования, что подтверждает его способность более эффективно проводить ионы и электроны. Основная причина пиков окислительно-восстановительного потенциала в основном связана с переносом заряда между Co ^{2 +} / Co ^{3 +} ионы и ОН ^- ионы в электролите участвуют в реакции [39]. После просмотра литературы [40], окислительно-восстановительные пики соответствуют следующим реакциям:

а CV-кривые Co-Cl (NiE) при различных скоростях сканирования. б Кривая гальваностатического заряда и разряда Co-ClNW (NiE) при 1 А / г (вставка:кривая GCD пены никеля с тем же током, что и Co-ClNW (NiE) при 1 А / г). c Кривые НОД Co-ClNW (NiE) при различных плотностях тока. г Длительная циклическая работа и сохранение емкости Co-ClNW (NiE) при плотности тока 8 А / г. е Средняя удельная емкость при различных плотностях разрядного тока. е Спектры EIS Co-ClNW (NiE) до и после электрохимических испытаний в диапазоне частот от 100 кГц до 10 мГц. г CV-кривые Co-ClNW (NiE) и переменного тока при скорости сканирования 20 мВ / с. ч Кривые CV готовых Co-ClNW (NiE) // AC ASC устройства при различных скоростях сканирования и соответствующие кривые GCD ( i ) С разной плотностью тока

На рис. 6б показана кривая НОД материала при плотности тока 1 А / г. Обнаружено, что форма кривой НОД имеет явное плато, что свидетельствует о том, что материал претерпевает окислительно-восстановительную реакцию, соответствующую кривым ЦВА. Можно заметить, что напряжение внезапно падает из-за внутреннего сопротивления материала в части разрядной кривой [41]. Более того, мы также можем сделать вывод из рис. 6b и 5c, что емкости, демонстрируемые оптимальным образцом Co-ClNW (NiE), выше, чем при добавлении одного Co-ClNW (E) и пены никеля, демонстрируя, что Комбинация Co-ClNW и никелевой пены за счет прямого роста способствует увеличению способности электрода накапливать заряд, что означает, что пена никель может не только обеспечивать емкость сама по себе, но также может выступать в качестве основы, гарантируя хороший электрический контакт и механические характеристики. адгезии и, следовательно, увеличивают коэффициент использования Co-ClNW, как это очевидно видно на фигурах SEM на рис. 1. На рис. 6c показаны кривые GCD при различных плотностях тока с удельной емкостью 2150 Ф / г при плотности тока 1 A / г (выше, чем во многих недавно опубликованных работах в Таблице 1), что соответствует удельной ионной емкости 4996 Ф / г Co, что показывает отличную способность накопления заряда для Co-ClNW (NiE) [42]. Кроме того, быстродействие и долговременная стабильность электрода дополнительно достигаются в соответствии с удельными емкостями электрода Co-ClNW (NiE) при различных плотностях тока и представлены на фиг. 6e. Хотя производительность конденсатора снижается, характеристика высокой мощности все еще проявляется. Удельная емкость конденсаторов поддерживается на уровне 1985, 1872, 1599 и 944 Ф / г при плотностях тока 2, 3, 5 и 8 А / г соответственно. Разрядная емкость проверяется на рис. 6d для нескольких циклов, чтобы проверить стабильность Co-ClNW (NiE), 94,3% удельной емкости в начальном цикле которой может поддерживаться после 500 циклов. Однако в нашем дополнительном тесте отделение активного материала от электрода наблюдается после 500 циклов, что может быть связано с изменением структуры объемных материалов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции Фарадея, что приводит к неточному расчету удельной емкости на основе масса Co-ClNW при заданной плотности тока. Поэтому, чтобы раскрыть такую ​​запутанную проблему, наша текущая работа будет включать отслеживание обратимости электрохимических деформаций, возникающих во время цикла. Как показано на рис. 6f, спектры электрохимического импеданса материала до (MBT) и после (MAT) испытания состоят из полукруга в первой половине и косой черты во второй половине. Принято считать, что пересечение реальной оси на высокой частоте представляет собой сопротивление электролита и контактное сопротивление между активным материалом и токосъемником [43]. Прямая линия в области низких частот приписывается сопротивлению диффузии ионов [30]. Можно видеть, что MBT имеет меньшее значение пересечения реальной оси на высокой частоте, чем MAT, что означает, что MBT имеет относительно меньшее эквивалентное последовательное сопротивление. Кроме того, можно заметить, что прямая для MBT имеет больший наклон, чем для MAT, что также указывает на то, что MBT может демонстрировать лучшую диффузию ионов. Наклон двух в низкочастотной области постепенно наклоняется в сторону y -ось, указывающая на то, что ионы электролита могут быстро диффундировать в пористую структуру материала. Стадия регулирования скорости реакции может быть определена в соответствии с электрохимической реакцией на поверхности материала электрода, так что материал электрода имеет хорошие электрические свойства.

Чтобы дополнительно оценить способность накопления заряда Co-ClNW (NiE) на практике, был изготовлен асимметричный суперконденсатор (ASC) с использованием Co-ClNW (NiE) и переменного тока соответственно в качестве положительного электрода и отрицательного электрода. На рисунке 6g показаны ВАХ Co-ClNW (NiE) и переменного тока, измеренные в трехэлектродной системе с потенциальным окном переменного тока от -1 до 0 В и Co-ClNW (NiE) от 0 до 0,6 В. Следовательно, Ожидается, что изготовленный ASC может работать до 1,6 В. Как показано на рис. 6h, CV-кривые ASC при различных скоростях сканирования показывают пару очевидных пиков, демонстрирующих типичные фарадеевские характеристики [44]. Additionally, a specific capacitance of 117.5 F/g can be obtained from the GCD curve at 1 A/g in Fig. 6i, in accordance with a high energy density of 41.8 W h/kg at the power density of 1280.7 W/kg, higher than many recently publicized works [45, 46]. When the current density is enlarged to 8 A/g, the ACS can still exhibited an energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg. This result clearly suggests that the ACS with the Co-ClNWs(NiE) as positive electrode exhibits a high energy density without sacrificing the high power density though a bulk redox reaction is involved, reflecting a possible method to keep a high energy storage capability under fast charge and discharge processes.

Conclusion

In summary, a Co-ClNWs(NiE) electrode is fabricated via a facile one-step hydrothermal method. The active material Co-ClNWs is deposited on commercial nickel foam to form a free-standing supercapacitor electrode. After the optimization of the structure of the Co-ClNWs(E) electrode prepared by PTFE sticking method, the Co-ClNWs(NiE) electrode displays a high specific capacitance of 2150 F/g under the current density of 1 A/g, with a large energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg even when the current density is up to 8 A/g. These results reveal that Co(CO₃ )_0.35 Cl_{0 .20} (OH)_1.10 1.74H₂ O NWs are very promising candidates for the next generation of energy storage devices. On this basis, the structural advantages of nickel foam make the active materials fully reflect the capacitive properties. The electrode design concept described in this paper makes it possible to develop high-energy supercapacitors.

Сокращения

ASC:

Асимметричный суперконденсатор

Co-ClNWs:

Chlorine-doped carbonated cobalt hydroxide nanowires

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWs stuck on the nickel foam

Co-ClNWs(NiE):

Co-ClNWs grown on the nickel foam

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

EDLCs:

Electrical double-layered capacitors

GCD:

Galvanostatic charge and discharge measurements

MBT and MAT:

The electrochemical impedance spectra of Co-ClNWs(NiE) before and after cycling