多孔MnCo2O4纳米棒/Ni泡沫电极用于不对称超级电容器

【引言】

超级电容器由于其功率密度高，充放电速度快，循环寿命长，环境友好，低成本和多样化配置而被认为是新兴的能源转换和存储设备。具有多孔结构的材料是理想的集流体，因为它可以有效地扩大电极材料的比表面积和表面积－体积比，缩短电极和电解质之间的电子传输路径和离子传输，并且在电荷存储过程中提供更易接近的法拉第反应活性位点。若纳米结构材料直接在集流体或导电基体上生长，可以有效避免聚合物粘结剂和导电剂的添加，这样不仅大大增加了导电基底上活性材料的性能，还有效地增加了集电器和有源元件之间的接触面积。因此，直接在集流体上生长纳米结构材料能显著增强超级电容器的电化学性能。目前有多种制备电极材料的方法，如水热法，化学气相沉积法，熔盐法等，但这些方法都较为复杂且耗时，这无疑增加了超级电容器的成本。因此开发一种高效且环保的纳米结构电极材料新型制备方法仍然是一项艰巨的任务。

【成果简介】

近日，渤海大学许家胜副教授和吉林大学刘晓旸教授（共同通讯）的研究团队在Acta Materialia发表了一篇题为“Fabrication of the porous MnCo2O4 nanorod arrays on Ni foam as an advanced electrode for asymmetric supercapacitors”的文章。在这篇文章中，他们采用一种简便的合成方法，通过在室温下进行共沉淀反应以及后续热处理，成功在三维Ni泡沫（PMCN ＠ NF）上生长了多孔MnCo2O4纳米棒阵列，其能作为不对称超级电容器的先进电极。该电极具有845．6 F g－1的良好电容（测试条件：1 A·g－1），经过2000次循环测试后，仍有90．2％的初始电容保持率。在此基础上制得的MnCo2O4 ／／ rGO不对称超级电容器的开路电压稳定在1．6 V，最大能量密度为53．7 Wh·kg－1（功率密度为1600 W·kg－1时）。当功率密度达到8000 W·kg－1时，它的能量密度仍然达到31．6 Wh·kg－1。该装置在5000次循环后还能达到82．0％的初始电容保持率。

【图文导读】

图一 合成方法示意图

图二 结构表征

（a）MnCo2O4 XRD图谱；

（b）MnCo2O4的尖晶石结构。

图三 Mn1／3Co2／3C2O4·2H2O的FTIR光谱

图四 Mn1／3Co2／3C2O4·2H2O的TG／DTG曲线

图五 PMCN ＠ NF SEM图像

（a－f）PMCN ＠ NF电极材料在不同比例尺条件下的SEM图像：

比例尺依次为20μm、5μm、1．5μm、1μm、400nm和200nm。

图六 EDS图像

（a）MnCo2O4 的元素分布；

（b－d）MnCo2O4的O、Mn、Co元素分布。

图七 TEM和HRTEM图像

（a）均匀分布的MnCo2O4 TEM图像；

（b）MnCo2O4的多孔结构 TEM图像；

（c）MnCo2O4 HRTEM图像；

（d）MnCo2O4的SAED图像。

图八 MnCo2O4的氮吸附／解吸等温图

图九 MnCo2O4 XPS图谱

（a）XPS全谱；

（b）XPS Co 2p谱；

（a）XPS Mn 2p谱；

（b）XPS O 1s谱。

图十 PMCN＠NF电极的电化学性能

（a）CV曲线；

（b）GCD曲线；

（c）电流密度－电容曲线；

（d）Ragone图。

图十一 MnCo2O4／／rGO不对称超级电容器的电化学性能

（a）不对称超级电容器装置结构示意图；

（b）CV曲线确定电位窗口；

（c）PMCN＠NF和rGO 电极的CV曲线；

（d）CV曲线；

（e）GCD曲线；

（f）电流密度－电容曲线；

（g）循环曲线；

（h）Ragone图。

图十二 MnCo2O4纳米棒多孔通道的电化学示意图

【小结】

该团队通过简便的方法制得一种新型PMCN ＠ NF电极材料，且能直接用作超级电容器的正极。该电极材料的多孔结构是性能提高的主要因素，而负载在上面的MnCo2O4纳米棒由直径约6．7nm的大量孔组成。这种独特的多孔纳米结构提供了：（1）大的比表面积（105．6 m2·g－1），可以增加电极／电解质与电化学活性部位之间的有效接触以进行电荷储存； （2）用于电子和离子到法拉第反应内表面的高速通道。这种PMCN ＠ NF电极在1 A·g－1下的电化学容量为845．6 F·g－1，循环稳定性为90．2％（2000次循环）。而MnCo2O4 ／／ rGO不对称超级电容器在1，600 W·kg－1和8000 W·kg－1条件下，最大能量密度分别为53．7 Wh·kg－1和31．6 Wh·kg－1，而5000次循环后容量保持率为82．0％。因此，以上优异的电化学性能表明PMCN ＠ NF在超级电容器领域是一种非常有前景的电极材料。