Гидроксиды никеля-кобальта с настраиваемыми тонкослойными нанолистами для высокоэффективного электрода суперконденсатора

Введение

Суперконденсатор как экологически чистый накопитель энергии привлекает большое внимание благодаря своим уникальным преимуществам, включая длительный срок службы, превосходную обратимость, высокую плотность мощности и большую надежность [1,2,3]. В последние годы он был потенциально применен во многих перспективных приложениях, таких как электромобили, интеллектуальные носимые устройства и портативные компьютеры, что имеет большое значение для будущего использования и хранения энергии. Однако более низкая плотность энергии суперконденсаторов всегда была важной причиной ограничения их дальнейшего развития. Хорошо известно, что решающим фактором для определения емкости суперконденсатора являются электрохимические свойства электродного материала. Таким образом, основным решением в настоящее время является разработка электродных материалов с превосходными электрохимическими свойствами [4,5,6,7,8,9]. Углеродные материалы [10,11,12,13], оксиды переходных металлов [14], гидроксиды переходных металлов (TMH) [15,16,17] и проводящие полимеры [18] являются основными материалами, используемыми в качестве электродов суперконденсаторов. Среди них мультигибридные наноматериалы ТМГ стали сильной тенденцией исследования из-за существования синергетического эффекта, превосходной управляемости химического состава, выдающейся окислительно-восстановительной активности и отличных характеристик анионного обмена. В качестве типичного ТМГ предпочтение отдается гидроксиду никеля и кобальта из-за его низкой цены, простого процесса получения и высокой теоретической емкости. Однако получение высокоэффективных электродных материалов из гидроксидов никеля и кобальта простым методом все еще представляет собой серьезную проблему.

Электрохимические свойства гидроксидов никель-кобальта во многом зависят от особых морфологических наноструктур [19,20,21,22,23] и состава ионов металлов [24, 25]. В предыдущих исследованиях Wu et al. [26] синтезировали легированные ванадием иерархические массивы нанолистов из слоистых двойных гидроксидов никеля и кобальта, которые обеспечивали высокую удельную емкость 2960 Ф · г ^-1 . при плотности тока 1 А · г ⁻¹ . Ян и др. [27] разработали многослойные полые микросферы из двойного гидроксида никеля и кобальта с гортензоподобной морфологией, демонстрирующие удельную емкость 2158,7 Ф · г ^-1 при плотности тока 1 А · г ⁻¹ . Были предприняты другие усилия для уменьшения сопротивления, увеличения электропроводности электродных материалов и получения других особых морфологий с высокой удельной поверхностью. Когда активный материал был выращен на поверхности подложки, он образовывал слоистую трехмерную структуру, которая могла бы обеспечить полный контакт между ионом электролита и активным материалом и повысить эффективность реакции. На основании этого Ouyang et al. [28] получили высокую удельную емкость 2047 Ф · г ^-1 . при плотности тока 1 А · г ⁻¹ путем создания иерархически структурированных сферических слоистых двойных гидроксидов никеля и кобальта, выращенных на пористом углероде биомассы. Zha et al. [29] успешно разработали и изготовили нанолисты никель-кобальтового сульфида с высокой степенью раскрытия на пенопласте Ni, которые показали низкое сопротивление и высокую удельную емкость 2553,9 Ф · г ⁻¹ . при плотности тока 0,5 А изб. ⁻¹ . К сожалению, хотя в предыдущих исследованиях слоистых гидроксидов никеля и кобальта был достигнут большой прогресс, удельная емкость большинства из них в качестве электродных материалов все еще остается ниже 3000 Ф · г ⁻¹ .

В этой работе мы предлагаем простую и эффективную стратегию выращивания NiCo-LDH на пене никеля и корректировки наноструктур электродных материалов для повышения емкости накопления заряда. NiCo-LDH получают с помощью одностадийного гидротермального процесса, структура которого, включая дисперсность, толщину и пористость, легко настраивается путем уменьшения содержания мочевины при фиксированном массовом соотношении Ni к Co 3:1. Оптимальный NiCo-LDH-1 отображает тонкослойные нанолисты толщиной около 1,62 нм и очевидные пористые структуры. Пористая тонкослойная структура может обеспечить множество активных центров для окислительно-восстановительной реакции, повысить сродство электролита и электродных материалов и уменьшить диффузионное сопротивление и расстояние миграции ионов электролита. В результате NiCo-LDH-1 демонстрирует сверхвысокую удельную емкость 3982,5 Ф · г ^-1 . при плотности тока 1 А · г ⁻¹ и сохранение высокой емкости выше 93,6% после 1000 циклов заряда и разряда при высокой плотности тока 10 А · г ⁻¹ . Превосходные электрохимические характеристики NiCo-LDH-1 дополнительно подтверждаются сборкой двухэлектродного асимметричного суперконденсатора с углеродными сферами, показывающего удельную емкость 95 Ф · г ^-1 при 1 A g ⁻¹ и сохранение емкости 78% за 1000 циклов.

Методы

Пеноникель (НФ, 1 см ² ), использованный в эксперименте, был предоставлен Canrd Co., Ltd., Китай. Перед использованием его обрабатывали ультразвуком в 2 M HCl в течение 15 минут для удаления оксида, прикрепленного к поверхности, а затем промывали большим количеством деионизированной воды и этанола для удаления ионов с поверхности. После этого сушили при 60 ° C в течение 3,5 ч под вакуумом. Все остальные химические вещества были аналитической чистоты, закуплены у Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. в Китае и использовались без дополнительной очистки.

В типичной процедуре сначала 0,06 г NiCl ₂ · 6H ₂ O и 0,02 г CoCl ₂ · 6H ₂ О растворяли в 80 мл деионизированной воды при ультразвуковой обработке в течение 15 мин. Во-вторых, в смешанный раствор добавляли мочевину и выдерживали обработку ультразвуком в течение 10 мин до полного диспергирования твердого вещества. Затем на дно автоклава из нержавеющей стали с тефлоновой футеровкой по диагонали прикрепляли НЖ с термостойкой лентой с одной стороны после измерения его массы. Наконец, гомогенный раствор переносили в автоклав и затем выдерживали при 100 ° C в течение 8 часов. После реакции охлажденные НФ, осажденные с NiCo-LDH, извлекали и промывали деионизированной водой для удаления примесей, приставших к поверхности, а затем сушили при 60 ° C в течение 4 часов в условиях вакуума. Общее содержание мочевины составило 0,0075, 0,015 и 0,03 г соответственно, что соответствует образцам NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 и NiCo-LDH-3. Образец, приготовленный таким же образом, как упомянутые выше, за исключением того, что без добавления мочевины, был назван NiCo-LDH-0.

Автоматический рентгеновский дифрактометр (XRD, D8 Advance) использовался для измерения кристаллической структуры материалов. Рентгеновский фотоэлектронный спектрометр (XPS, ESCALAB 250Xi) использовался для измерения валентности и содержания элементов в материалах. Сканирующий электронный микроскоп высокого и низкого вакуума (SEM, JSM-6360LV) использовался для наблюдения за морфологией и составом микроструктуры поверхности образцов. Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ, TF20 Jeol 2100F) использовался для наблюдения ультраструктуры материала. Атомно-силовой микроскоп (AFM, Dimension Icon) использовался для получения информации о структуре топографии поверхности и информации о шероховатости поверхности с нанометровым разрешением. Для измерения распределения элементов использовалось отображение элементов с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS-картирование).

Для проверки электрохимических характеристик использовалась типичная трехэлектродная система в 1 М растворе КОН. Приготовленная пена никеля, выращенная с электродным материалом, служила рабочим электродом, а платиновая пластина и насыщенный каломельный электрод использовались в качестве противоэлектрода и электрода сравнения соответственно, по которым строились циклические вольтамперограммы (CV), кривые гальваностатического заряда-разряда (GCD). ), электрохимический импеданс (EIS) и испытания на стабильность цикла. Удельная емкость C _c (F g ⁻¹ ) и удельной емкости Q (C g ⁻¹ ) образцов можно рассчитать по параметрам, полученным с помощью кривых гальваностатического разряда, и эти выражения имеют следующий вид:

где I (А) представляет ток разряда; Δ t (s) означает время разряда; Δ V (V) дает окно потенциала разряда; и м (г) соответствует массе активного материала, примерно 0,0012 г.

Асимметричный суперконденсатор (ASC) изготавливается в двухэлектродной системе после уравновешивания зарядов Q _{s +} м _{s +} =Q _s- м _s- . NiCo-LDH-1 / NF используется в качестве положительного электрода, а отрицательный электрод получается путем смешивания углеродных сфер, углеродной сажи и ПТФЭ в соотношении 8:1:1 на NF. Электролит такой же, как и в трехэлектродной системе, а диапазон потенциальных окон для ASC составляет 0 ~ 1,4 В. Чтобы изучить практические электрохимические характеристики, определите удельную плотность энергии E _c (Вт ч кг ⁻¹ ) и удельной мощности P _c (Вт кг ⁻¹ ) для асимметричной конфигурации рассчитываются следующим образом:

где I (А) представляет ток разряда; Δ t (s) указывает время разряда; Δ V (V) соответствует потенциальным окнам; м (г) означает общую активную массу положительного и отрицательного электродов, около 0,0065 г.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показаны микроструктуры и морфологии NiCo-LDH, выращенных на НФ, приготовленном с различным содержанием мочевины. На рис. 1а – 1 показаны изображения СЭМ, изображения АСМ и толщина образцов соответственно. Как показано на рис. 1а, синтезированный NiCo-LDH-3 демонстрирует листовые структуры, уложенные друг на друга и переплетенные в горизонтальном направлении, параллельном NF. Листовые структуры имеют неровную поверхность и прочную адгезию. По мере постепенного уменьшения содержания мочевины NiCo-LDH постепенно растут в вертикальном направлении и перпендикулярны NF. Как показано на рис. 1c, когда содержание мочевины снижается до 0,0075 г, нанолисты NiCo-LDH-1 переплетаются и распределяются по поверхности NF, что образует очевидную трехмерную структуру и богатые пористые структуры между слои. Морфология этих нанолистов благоприятна для увеличения удельной поверхности электрода, чтобы обеспечить множество реактивных центров для реакции [30]. Следовательно, он может значительно увеличить поверхность контакта с электролитом, чтобы ускорить электрохимическую реакцию и внести вклад в большую удельную емкость в электрохимической реакции [31]. На рис. 1e – l представлены изображения АСМ для определения толщины нанолистов NiCo-LDH. Для образцов NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 и NiCo-LDH-1 соответствующие толщины составляют 3,29, 2,52 и 1,62 нм соответственно. Показано, что толщина нанолистов материала постепенно уменьшается с уменьшением содержания мочевины. Ультратонкая структура NiCo-LDH-1 обеспечивает хорошие условия для формирования пористой структуры и сокращает расстояние до переноса ионов. Однако СЭМ-изображение NiCo-LDH-0 (рис. 1d) показывает, что образец, приготовленный без добавления мочевины, также демонстрирует пластинчатые структуры, но его толщина составляет 3,31 нм (рис. 1h, l), что больше, чем у образцов. других образцов, приготовленных с мочевиной. Это означает, что на микроструктуру и морфологию NiCo-LDH может влиять содержание мочевины. В процессе получения образцов, содержащих мочевину, мочевина медленно разлагается на NH ₃ . и CO ₂ при высокой температуре и дополнительно производит CO ₃ ^2– , NH ₄ ⁺ и ОН ^- ионы по реакции с водой. При пониженном содержании мочевины Co ²⁺ и Ni ²⁺ ионы имеют мало мест контакта с ОН ^- , которые будут формировать более тонкие слои структуры нанолистов [32]. Тем не менее, травление не происходит во время процесса приготовления образца без мочевины. В результате по сравнению с образцами, полученными с мочевиной, толщина образца без добавления мочевины становится больше.

а - г СЭМ-изображения образцов: а NiCo-LDH-3, b NiCo-LDH-2, c NiCo-LDH-1, d NiCo-LDH-0; е - ч Изображения образца с помощью АСМ: e NiCo-LDH-3, f NiCo-LDH-2, г NiCo-LDH-1, ч NiCo-LDH-0; я - l толщины образцов: i NiCo-LDH-3, j NiCo-LDH-2, к NiCo-LDH-1, l NiCo-LDH-0

Спектры XRD NiCo-LDH представлены на рис. 2а. После сравнения со стандартной PDF-картой всем материалам можно присвоить Ni _0,75 Co _0,25 (CO ₃ ) _0,125 (ОН) _{2 0,215} · 0,38H ₂ О (PDF № 40–0216). Дифракционные пики при 2θ 11,59 °, 23,14 °, 34,95 °, 39,40 °, 62,44 ° и 65,96 ° соответствуют гидроксидам никеля и кобальта (003), (006), (012), (015), (113) и ( 116) кристаллические плоскости соответственно. Подробная микроморфология NiCo-LDH-1 дополнительно охарактеризована с помощью ПЭМ. Как показано на рис. 2b – d, NiCo-LDH-1 выглядит как тонкие пористые слои, и между слоями очень маленький стек. Это связано с тем, что пониженное содержание мочевины улучшает диспергируемость материала и уменьшает поперечное наложение между слоями. Трехмерная структура роста делает листовую структуру материала более тонкой и имеет явные поры. Наличие тонкослойной пористой структуры может значительно увеличить погружение электролита в материал электрода, уменьшить диффузионное сопротивление и расстояние миграции ионов электролита [33].

а Рентгенограммы образцов; б - г ПЭМ изображения NiCo-LDH-1

На рисунке 3 показан XPS-анализ NiCo-LDH-1. Для спектра Ni 2p XPS на рис. 3a наблюдаются два основных пика около 873,1 и 855,5 эВ, соответствующих Ni 2p _1/2 и Ni 2p _3/2 , соответственно. Пики с энергией связи 874,4 и 856,5 эВ относятся к Ni ³⁺ , а аппроксимирующие пики при 873,1 и 855,3 эВ соответствуют Ni ²⁺ [34, 35]. Между тем, пики при 872,1 и 854,2 эВ предполагают присутствие Ni ⁰ которые приписываются NF, и два других пика при 878,8 и 861,2 эВ могут быть отнесены к сателлитным пикам. Точно так же на рис. 3b показан подобранный XPS-спектр Co 2p, а два основных пика, расположенные при 796,1 и 780,8 эВ, проиндексированы как Co 2p _1/2 и Co 2p _3/2 , соответственно. Дублеты при 796,9 и 781,5 эВ согласуются с Co ²⁺ , а другие дублеты при 795,5 и 780,1 эВ соответствуют Co ³⁺ [35, 36]. Соответствующие сателлитные пики находятся на 784,9 и 803,7 эВ. Спектр O 1 s показан на рис. 3c, на котором пики с центрами при 529,6, 531 и 532,5 эВ должны быть отнесены к кислороду, связанному с металлом (O1), дефектному кислороду (O2) с низкой координацией и кислороду в вода (O3), которая физически и химически связана на поверхности и внутри нее соответственно [35]. Эти результаты показывают, что NiCo-LDH-1 имеет богатое распределение валентных состояний, что способствует улучшению электрохимических характеристик.

Рентгеновские фотоэлектронные спектры a Ni 2p, b Co 2p и c O 1 сек NiCo-LDH-1

Диаграммы отображения EDS NiCo-LDH-1 показаны на рис. 4a – d. Из рисунков видно, что элементы Ni, Co и O равномерно распределены по материалу, что соответствует результатам XPS.

а СЭМ NiCo-LDH-1; Схемы отображения элементов EDS b Ni, c Co и d O в NiCo-LDH-1

Чтобы проверить электрохимические характеристики NiCo-LDH, тесты CV, GCD EIS и циклической стабильности проводятся в типичной трехэлектродной тестовой системе. На рис. 5а показаны кривые циклической вольтамперометрии NiCo-LDH-1 при различных скоростях сканирования. Можно видеть, что есть очевидные пики окисления и восстановления, наблюдаемые для всех образцов, а площади анодных и катодных пиков при фиксированной скорости сканирования в основном совпадают, что указывает на то, что электродный материал имеет отличную обратимость. Окислительно-восстановительные реакции могут быть выражены как:

а CV-кривые NiCo-LDH-1 при различных скоростях сканирования; б CV-кривые образцов при скорости сканирования 5 мВ с ⁻¹ ; c Кривые НОД NiCo-LDH-1 при различных плотностях тока; г Кривые НОД образцов при 1 A g ⁻¹ ; е Диаграмма циклической стабильности NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 и NiCo-LDH-0 при 10 А · g ⁻¹ ; е Графики Найквиста для NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 и NiCo-LDH-0

На рисунке 5b представлены кривые циклической вольтамперометрии NiCo-LDH при скорости сканирования 5 мВ с ^-1 . . Можно видеть, что пиковые токи окисления и восстановления NiCo-LDH-1 значительно выше, чем у NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 и NiCo-LDH-0, а площадь, ограниченная ширина пика и пиковая сила тока NiCo-LDH последовательно увеличиваются. Согласно предыдущей литературе [37], площадь, ограниченная кривой, может отражать вклад материала в емкость. Чем больше интегральная площадь, заключенная под одним и тем же окном скорости сканирования и напряжения, тем лучше емкостные характеристики материала, поэтому регулируемый NiCo-LDH-1 за счет уменьшения содержания мочевины улучшает емкостные характеристики. Кроме того, это можно наблюдать по CV-кривым NF при 5 мВ с ⁻¹ что площадь CV-кривых для NF незначительна по сравнению с другими образцами, что указывает на то, что вклад емкости NF незначителен.

Кривые гальваностатического заряда и разряда NiCo-LDH-1 при различных плотностях тока показаны на рис. 5c. Очевидно, NiCo-LDH-1 имеет сверхвысокую удельную емкость 4166 (1667 Кл · г ^-1 ) и 3982,5 Ф г ⁻¹ (1593 C г ⁻¹ ) при плотности тока 0,5 и 1 А · г ⁻¹ , соответственно. При большой плотности тока 10 А · г ⁻¹ , удельная емкость 2550 Ф · г ⁻¹ (1020 C г ⁻¹ ) можно сохранить. По сравнению с литературными результатами, показанными в таблице 1, наша работа более выгодна.

На рис. 5d показаны кривые гальваностатического заряда и разряда NiCo-LDH для тех же значений плотности тока и напряжения. Можно заметить, что когда содержание мочевины уменьшается, время зарядки и разрядки NiCo-LDH, в свою очередь, увеличивается. Удельная емкость изменяется от 2405 Ф · г ⁻¹ (962 Кг ⁻¹ ) для NiCo-LDH-3 до 3052,5 Ф · г ^-1 (1221 C г ⁻¹ ) для NiCo-LDH-2 и, наконец, увеличивается до 3982,5 Ф · г ⁻¹ (1593 C г ⁻¹ ) для NiCo-LDH-1. Это показывает, что изменение содержания мочевины имеет важное влияние на окислительно-восстановительную реакцию материалов. Причина в том, что при высоком содержании мочевины NiCo-LDH в основном растут в направлении, параллельном поверхности NF, и слои накладываются друг на друга, что увеличивает общую толщину слоев, так что электролит не может хорошо проникать и окислительно-восстановительный реакции, приводящие к псевдоемкости, могут происходить только на поверхности или вблизи нее. Уменьшение содержания мочевины улучшает диспергируемость материала. NiCo-LDH постепенно избавляется от сложенного состояния между слоями. Трехмерная структура роста делает структуру слоев материала более тонкой, а поры очевидными. Это обеспечивает больше активных центров для реакции и снижает диффузионное сопротивление и расстояние миграции ионов электролита, что способствует прохождению и диффузии ионов, тем самым значительно улучшая характеристики псевдоемкости материала [36, 44]. Согласно кривой НОД NiCo-LDH-0, удельная емкость образца составляет 1232,5 Ф · г ^-1 . (493 C г ⁻¹ ) при плотности тока 1 А · г ⁻¹ что ниже, чем у образцов, полученных с мочевиной. Это также подтверждает, что измененная структура, включая морфологию и толщину, вызванная введением мочевины, оказывает положительный промотирующий эффект на электрохимические свойства NiCo-LDH.

На рисунке 5e показана циклическая стабильность NiCo-LDH. При плотности тока 10 А · г ⁻¹ , степень сохранения емкости NiCo-LDH-1 превышает 93,6% после 1000 циклов, более 88,9% и 83% для NiCo-LDH-2 и NiCo-LDH-3 соответственно. Однако степень сохранения емкости NiCo-LDH-0 составляет всего 54,9%. Это указывает на то, что подходящее содержание мочевины может эффективно улучшить стабильность электродных материалов. Более того, в течение 100-500 циклов сохранение емкости NiCo-LDH-1 превышает 100%, что позволяет предположить, что более тонкая структура вертикального слоя во время этого цикла может в достаточной степени заставить электролит диффундировать к поверхности активного вещества. для поддержки процесса окислительно-восстановительной реакции. Рисунок 5f является результатом теста EIS для NiCo-LDH. Графики Найквиста состоят из двух частей:высокочастотной и низкочастотной областей, соответствующих полукругу и отрезку линии соответственно. Диаметр полукруга в высокочастотной области отражает сопротивление переносу электрона. Чем меньше диаметр полукруга, тем меньше будет сопротивление переносу электронов. Наклон линии отражает диффузионную способность ионов электролита на поверхности материала. Чем больше наклон, тем сильнее будет диффузионная способность [45]. Для образцов NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 и NiCo-LDH-3, когда содержание мочевины постепенно уменьшается, сопротивление переносу и расстояние миграции электронов уменьшаются для соответствующих электродов, скорость передачи ионов к поверхность электрода увеличивается, и проводимость материала постепенно улучшается. Однако для образца NiCo-LDH-0, хотя сопротивление переносу электронов у него относительно невелико, скорость передачи ионов слишком мала, чтобы соответствовать способности передачи электронов, что приводит к плохим электрохимическим характеристикам.

Превосходные электрохимические характеристики NiCo-LDH-1 в качестве положительного электрода дополнительно подтверждаются изготовлением двухэлектродного асимметричного суперконденсатора с углеродными сферами в качестве отрицательного электрода. На рис. 6а представлены ВАХ углеродной сферы и электродов из NiCo-LDH-1 при 10 мВ с ⁻¹ . . Углеродная сфера и электроды NiCo-LDH-1 с потенциальным окном -1 ~ 0 и 0 ~ 0,5 В могут быть эффективно собраны в стабилизирующее устройство с расширенным напряжением 1,5 В, как показано кривыми CV при 10 мВ с. ^-1 устройства на рис. 6б.

Электрохимические характеристики асимметричного суперконденсатора NiCo-LDH-1 / углеродная сфера: a Кривые CV при скорости сканирования 10 мВ с ⁻¹ ; б Кривые CV при разных скоростях сканирования; c Кривые НОД при разной плотности тока; и d циклическая устойчивость при плотности тока 10 А · г ⁻¹

После сравнения рис. 6а, б можно заметить два основных различия между ними в окне потенциала и формой ВАХ. Причины этих различий заключаются в следующих аспектах:1) По сравнению с насыщенным каломельным электродом сравнения, окно напряжения одиночного электрода NiCo-LDH-1 и углеродных сфер составляет 0 ~ 0,4 и -1 ~ 0 В в трехфазном электроде. электродная система соответственно. Однако после того, как мы используем NiCo-LDH-1 в качестве положительного электрода для изготовления двухэлектродного асимметричного суперконденсатора с углеродными сферами в качестве отрицательного электрода, окно напряжения устройства будет относительно отрицательного электрода (а именно углеродных сфер с диапазоном потенциалов -1 ~ 0 В). Следовательно, после уравновешивания зарядов устройство, собранное двумя электродами с противоположными процессами, могло работать в потенциальном окне 0 ~ 1,4 В [46]. 2) Как показано на рис. 6b, ВАХ асимметричного суперконденсатора показывают пару отдельных пиков при разных скоростях сканирования, что подтверждает типичные фарадеевские характеристики псевдоемкости, вносимые NiCo-LDH-1 [47]. Кроме того, более четкая квазипрямоугольная CV-кривая, а также приблизительно линейный процесс заряда и разряда на рис. 6b, c для асимметричного суперконденсатора по сравнению с таковым для NiCo-LDH-1 дополнительно подтверждает улучшенную емкостную чувствительность за счет электрического эффект двухслойной емкости, создаваемый углеродными сферами. Таким образом, изготовленный асимметричный суперконденсатор демонстрирует изменение внешнего вида кривой CV по сравнению с одиночным электродом из NiCo-LDH-1 и углеродных сфер. Это является результатом объединения преимуществ двух электродных материалов с различными механизмами накопления заряда. Благодаря этому преимуществу можно повысить напряжение устройства, тем самым способствуя увеличению мощности и плотности энергии [48].

Кривые НОД при различных плотностях тока представлены на рис. 6в в диапазоне напряжений 0 ~ 1,4 В. Согласно расчетам, удельные емкости асимметричного суперконденсатора составляют 95 (132,9) и 57 Ф g ^-1 (79,75 Кл г ⁻¹ ) при плотностях тока 1 и 5 А · г ⁻¹ , соответственно. Максимальная удельная энергия составляет 25,9 Вт · ч · кг ⁻¹ . при удельной мощности 701,6 Вт кг ⁻¹ . Между тем, низкочастотная кривая EIS, показанная на вставке к рис. 6d, почти вертикальна, что указывает на то, что ионы электролита обладают отличной способностью перемещаться между положительными и отрицательными электродами [49]. Стабильность устройства при циклической работе также оценивается путем многократных испытаний заряда и разряда при 10 А g ⁻¹ . . Как показано на рис. 6d, сохранение емкости превышает 78% после 1000 циклов.

Выводы

Простой и эффективный одностадийный гидротермальный метод используется для синтеза различных NiCo-LDH. Наноструктуры NiCo-LDH можно регулировать, оптимизируя содержание мочевины, тем самым улучшая ее электрохимические характеристики как электродных материалов. Последствия структурных характеристик показывают, что с уменьшением содержания мочевины нанолисты NiCo-LDH-1 демонстрируют хорошо улучшенную дисперсность и образуют тонкую пористую структуру толщиной всего 1,62 нм, которая создает больше активных центров окислительно-восстановительной реакции, увеличивает сродство между электролитом и материалом электрода сокращает путь диффузии ионов и улучшает способность к переносу электронов. NiCo-LDH-1 демонстрирует отличную удельную емкость 3982,5 Ф · г ⁻¹ . при плотности тока 1 А · г ⁻¹ и более 93,6% удержания емкости за 1000 циклов при высокой плотности тока 10 А · г ⁻¹ . Превосходные электрохимические характеристики NiCo-LDH-1 дополнительно подтверждаются изготовлением двухэлектродного асимметричного суперконденсатора с углеродными сферами. Удельная емкость составляет 95 Ф · г ⁻¹ . при 1 A g ⁻¹ , а сохранение емкости превышает 78% за 1000 циклов. Эти результаты показывают, что NiCo-LDH являются материалом для хранения энергии следующего поколения с большими перспективами применения и открывают большие возможности для разработки высокоэнергетических суперконденсаторов.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

NiCo-LDH:

Nickel–cobalt layered double hydroxides

TMHs:

Transition metal hydroxides

Ни:

Никель

Co:

Кобальт

NF:

Nickel foam

XRD:

X-ray automatic diffractometer

XPS:

X-ray photoelectron spectrometer

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

EDS mapping:

Energy-dispersive X-ray spectroscopy element mapping

Резюме:

Циклические вольтамперограммы

GCD:

Galvanostatic charge–discharge curves;

EIS:

Electrochemical impedance

ASC:

Asymmetric supercapacitor