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高性能スーパーキャパシタ電極用のメソポーラス塩素ドープ炭酸コバルトナノワイヤのワンステップ合成

要約

自己安定化され、明確に定義された塩素ドープ炭酸コバルト水酸化物ナノワイヤーは、簡単な方法でバインダーフリーの電極として得られました。 Co材料は、直径が約3〜10 nmの高度に整列したモノマーと多数の表面細孔で構成される、独特の明確な針状構造を持っているため、高性能の電気化学コンデンサの可能性があります。テスト結果は、3電極システムで直接取得されたCo-ClNWs(NiE)電極が、1 A / gの電流密度で2150F / gを超える比容量に達し、94.3%の良好なサイクル安定性を伴うことを示しています。 500サイクル後の静電容量保持率は、非対称スーパーキャパシタの正極として使用した場合、1280.7 W / kgの電力密度で41.8W h / kgの高エネルギー密度を示します。現在の材料を従来の電極と比較した後、より便利なワンステップの方法でより良い電気化学的性能を達成できることがわかります。したがって、この作業では、将来の電極処理のために新しいタイプの製造コンセプトを提供する可能性があります。

はじめに

スーパーキャパシターは、エネルギー貯蔵・変換装置の一種として、急速充電・放電速度、高電力密度、長サイクル寿命、信頼性の高さから大きな注目を集めています[1、2]。近年、軍用電子機器、電気自動車、ポータブルコンピュータなど、多くの重要なアプリケーションや展望分野における従来のエネルギー貯蔵および変換機器の不足を補っています[3,4,5,6,7]。一般に、スーパーキャパシタは、異なる電子蓄積メカニズムに応じて2つのタイプに分類できます。静電相互作用を介して電気二重層に電荷を蓄積することによってエネルギーを蓄積する従来の電気二重層キャパシタ(EDLC)と、ファラデーレドックスを介してエネルギーを蓄積する疑似コンデンサです。電極表面での反応[8,9,10,11]。さまざまな疑似容量材料の中で、酸化ルテニウムは優れた電気化学的性能を示しますが、高コスト、低多孔性、および毒性の性質により、その商業的用途は厳しく制限されます[12]。したがって、NiO、Co 3 など、より安価で環境にやさしいが容量性の高い金属酸化物/水酸化物もあります。 O 4 、Fe 3 O 4 、Fe 2 O 3 、V 2 O 5 、Co(OH) 2 、およびNi(OH) 2 最も有望な候補となっています[13]。 Co(OH) 2 、高い理論的比容量を備えた明確に定義された可逆的レドックス反応の明らかな利点を示すことは、特に魅力的な潜在的材料と見なされてきました[14]。この研究では、高い静電容量性能が、比表面積の大きい特殊な形態構造に反映されていることがわかりました[6、15、16、17、18]。以前の報告から、Mahmoodと彼の同僚は、塩素をドープした炭酸コバルト水酸化コバルト(Co(CO 3 0.35 Cl 0.20 (OH) 1.10 1.74H 2 O)並外れた静電容量と優れたエネルギー密度を持ち、高速性能と安定性を備えたナノワイヤ。このような高い静電容量とエネルギー密度は、Co(CO 3 0.35 Cl 0.20 (OH) 1.10 親水性が電極表面の湿潤性を大幅に向上させることができるナノワイヤ、およびカウンター構造安定剤アニオン(Cl - または/およびCO3 2- )電極の分極を効果的に制御します[19]。そのような研究の優位性に触発され、Co(OH) 2 にいくつかの元素をドーピングすることによって構造的および電気化学的特性を最適化するという観点からの見通し 予見されます。

同時に、高い比表面積やその他の特殊な形態を得るために、研究者たちは構造の革新を始めています[17、20、21、22、23]。活物質が他の電極材料表面に付着すると、それは小包コアシェル構造または層状三次元構造を形成することができ、これは反応効率を改善する上で活物質と電解質イオン接触の効果を確実にすることができる。たとえば、Shude Liuと彼の同僚は、3次元の自立型階層型MnCo層状複水酸化物@ Ni(OH) 2 を含むスーパーキャパシタ電極を提案しました。 [MnCo-LDH @ Ni(OH) 2 ]導電性ニッケルフォーム上のコアシェルヘテロ構造[24]。得られたMnCo-LDH @ Ni(OH) 2 構造は、3 A / gの電流密度で2320F / gの高い比静電容量を示し、1308 F / gの静電容量は、優れた長いサイクル寿命で30 A / gの高電流密度で維持されました。しかしながら、材料の特性が異なるため、調製方法は、複雑な操作、過酷な反応条件、および低い成功率の問題に直面している。したがって、高い電気化学的性能を備えた均一で整然とした電極材料を得るためのより便利な準備手段が強く望まれています[25]。

この論文では、メソポーラス塩素ドープ炭酸コバルト水酸化物ナノワイヤ(Co-ClNW)をニッケル発泡体上に直接成長させ、発泡金属電極(Co-ClNWs(NiE))を簡単なワンステップ熱水法に基づいて調製します。 Co(OH) 2 のパフォーマンス上の利点 。電気化学的性能試験は、作用電極として直接Co-ClNWs(NiE)を使用して実行されます。これは、貯蔵エネルギー用のバルク材料の内部活性部位を合理的に実現するための特定の静電容量とエネルギー密度の両方を強化するための重要な手段を提供します。一方、性能比較は従来の電極で行います。これは、静電容量の増加とCo材料のアプリケーション開発のための実行可能な参照方法を提供し、将来のコンデンサ工業化の構造と生産のための新しいアイデアも提供します。

メソッド

NiフォームでのCo-ClNWの合成

Niフォームは中国のCanrdCo。、Ltd。から入手しました。使用前に、超音波下で0.5 M HClで0.5時間処理し、大量の脱イオン水とエタノールで洗浄して表面イオンを除去した後、80°Cで12時間乾燥しました。他のすべての化学物質は分析グレードであり、使用前にさらに処理することなく、中国のSinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。から購入しました。

まず、3.5 g CoCl 2 ・6H 2 Oおよび0.9g CO(NH 2 2 マグネチックスターラーで100mLの脱イオン水に溶解し、固体が完全に分散して溶解するまで30分間持続しました。次に、得られた均質な溶液を、ステンレス鋼クリップで固定されたいくつかのきれいなニッケルフォームを備えたステンレス鋼オートクレーブに移し(ニッケルフォームの品質は事前に測定されました)、ニッケルフォームが完全に沈んでいることを確認し、120°Cで20時間の熱反応。室温まで冷却した後、ニッケルフォームを取り出し、脱イオン水で洗浄して、表面に付着した不純物を除去した。最後に、サンプルを真空中で選択し、オーブンで10時間乾燥させて使用しました。

材料の特性評価

製品の構造と形態は、電界放出型走査型電子顕微鏡法(SEM MIRA3 TESCA)と透過型電子顕微鏡法(TEM FEI Tecnai)によって分析されました。 X線回折(XRD)パターンは、CuKα放射線(λ=0.15056 nm)を使用したSIEMENSD500回折計で収集されました。 X線光電子分光法(XPS)は、サンプルの化学組成と化学原子価状態を調べるために、AlKα放射線を使用してESCALAB250で実行されました。 N 2 吸着-脱着等温線は、77KでASAP2020機器によって取得されました。BET法とQSDFT法をそれぞれ使用して、材料の比表面積と細孔径分布を決定しました。

電気化学的測定

Co-ClNWs(NiE)電極は、8 MPaの圧力下で、幾何学的面積、質量負荷、厚さ1 cm -2 で処理されました。 、3 mg、および0.25mm。それぞれ。 (Co-ClNWs(NiE))の電気化学挙動を特徴づけるために、CHI660E(Chenhua、Shanghai)電気化学ワークステーションを、6 MKOH溶液中のPt対極とHg / HgO参照電極を備えた3電極電気化学セルで使用しました。 。サイクリックボルタンメトリー(CV)、定電流充電および放電(GCD)の測定は、テストの過程で観察されました。電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、開回路電位で0.01 Hz〜100kHzの周波数範囲で5mVの振幅のAC電圧を印加することによってテストされました。同じ実験で得られたがニッケルフォーム上で成長しない生成物も、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)付着法によって作製された作用電極プレート(Co-ClNWs(E))を得るために収集された。サンプルの比静電容量は、式(1)に従って計算されました。

$$ C =\ frac {I \ times \ Delta t} {\ Delta V \ times m} $$(1)

ここで C は比容量(F / g)、 I は電流(A)、Δ t は放電時間(s)、Δ V は電位窓(V)であり、 m は電気活性電極の質量(g)です。

さらに、Co-ClNWs(NiE)電極(正極)と活性炭(AC、負極)を備えた非対称スーパーキャパシターを2電極構成でテストしました。正極と負極の最適な質量比は、次の式で計算されました。

$$ {\ mathrm {m}} _ {+} / {\ mathrm {m}} _ {-} ={\ mathrm {C}} _​​ {-} {\ mathrm {V}} _ {-} / { \ mathrm {C}} _​​ {+} {\ mathrm {V}} _ {+} $$(2)

ここで m 活物質の質量 C を意味します 重量比の静電容量を表し、 V 電位窓です(3電極構成の場合)。電気化学的性能を得るために、セルの比静電容量、比エネルギー密度、および比出力密度をそれぞれ次のように計算しました。

$$ {C} _c =\ frac {I \ varDelta t} {m \ varDelta U} $$(3)$$ {E} _c =\ frac {C_c \ varDelta {U} ^ 2} {2 \ times 3.6 } $$(4)$$ {P} _c =\ frac {E_c \ times 3600} {\ varDelta t} $$(5)

ここで (A)は充電/放電電流 m を示しています (g)は、2つの電極の合計有効質量Δtを表します。 (s)は放電時間ΔUを意味します (V)は電位窓であり、 C c (F g -1 )、 E c (W h kg -1 )、および P c (W kg -1 )は、それぞれセルの比静電容量、エネルギー密度、および電力密度です。

結果と考察

Co-ClNW(NiE)の特性評価

図1のSEM画像は、ニッケルフォーム上に調製されたままのCo-ClNWの形態を示しています。図1aでは、ニッケルフォームネット自体が多層構造になっていることがはっきりとわかります。ニッケルフォームの三次元構造によって形成された電極靭帯は、スポンジのそれと非常に類似しており、材料の成長のための自然なフレームワークを提供します[26]。この図は、材料がニッケルフォームでしっかりと覆われていることを示しています。画像の拡大図を図1bに示します。この図から、針状の材料が千鳥状になっていることがわかりました。これは、成長構造が空間構造の圧縮を引き起こさず、自然な3次元の空間ギャップを形成していることを示しています。この独特の構造は、電解質の流入と反応のためのより多くの経路を提供することができ、これは、電解質と十分に接触している電極材料にとって有益である[27]。図1cでは、ニッケルフォームの表面に成長した材料を観察すると、繁栄する花のような材料が相互に接続されており、高速の電子輸送に伝導しているため、速度性能が向上し、エネルギー損失が減少していることがわかります。図1dの拡大図は、熱水形成による発泡金属の表面と材料の骨格を示しており、それらは整然とした接続の絡み合った構造を示しており、緊密なニット導電性ネットワークを構成しています。ご存知のように、PTFE付着法で得られた電極はコーティングムラなどの問題が発生しやすく、自然な空間構造を持たないため、利用可能なスペースや比表面積が大幅に減少し、利用率が低下します。実験材料であり、最終的には大幅な性能の違いにつながります[28]。したがって、その電極と比較して、Co-ClNWs(NiE)の構造には、電子とイオンの透過距離が短くなるという利点があることは間違いありません。その結果、材料の導電性が大幅に向上し、電気化学的試験[29]。

a 発泡金属の層状構造(図は発泡金属に付着した材料を示しています)。 b 高倍率で観察された材料の外観。 c 単量体の花の形態。 d 発泡ニッケルの表面に形成された材料骨格

Co-ClNWs(NiE)電極の優位性をさらに探求するために、電気化学的試験の完了後にSEM試験を実施します。図2aからわかるように、押し出し処理後の発泡金属は依然として階層的であり、発泡金属の表面は材料でしっかりと覆われています。私たちが知っているように、マイクロ/ナノメートルスケールの突起は、その活性部位を強化することができる市販のニッケルフォーム(集電体)上に製造されています[30]。集電体の表面積が大きいということは、集電体と活物質との接触面積が大きいことを意味し、電気化学反応中の電子とイオンの輸送を促進する可能性があります。良好な導電性は、高電流密度下での静電容量の優れたレート能力を保証できるため、Coベースの複合材料の不十分な導電性が大幅に向上します。倍率[31]。図2c、dの拡大画像は、ナノワイヤがニッケルフォーム上に形成されたフレームワーク上に密接に配置されていることを示しています。これにより、基板スペースがエネルギーの貯蔵に活物質を利用するために十分に活用されます。これは、PTFEスティッキング法で作製したCo-ClNWs(E)にはない構造上の利点です。 Co-ClNWs(NiE)電極調製法は、材料の性能を完全に刺激できる有用で実行可能なアプローチを提供します。

a テストされたCo-ClNWs(NiE)電極のSEM画像。 b ニッケルフォームの層間に埋め込まれた材料のSEM画像。 c d 高倍率でのニッケルフォーム骨格の密接に整列した成長のSEM画像

Co-ClNWsナノワイヤー(ニッケルフォーム製品から削り取られたもの)のTEM写真を図3に示します。図3aの画像は、抽出された材料が十分に針状であり、電子線回折によって明らかにされた単一の結晶構造に属していることを示しています。 (SAED)図3bで選択したナノワイヤのパターン。図3cに示す針状ナノワイヤーは、長さが約数ミクロン、直径が約数十ナノメートルで、アスペクト比が大きいことを示しています。図3dおよび図3eのCo-ClNWの高倍率の外観から 材料の表面は、直径が約3〜10nmのモノマーと密接に整列していることがわかります。結晶性材料の厚さが30nmを超えると、電解質イオンが材料全体に拡散できないため、結晶性材料内でのイオンの深拡散は常に複雑な問題と見なされてきました。したがって、この場合、Co-ClNWs構造は、材料のモノマーのサイズが約3〜10 nmであるため、電解質の拡散を促進します。これにより、電解質の拡散距離が短くなり、反応経路の長さと抵抗が減少します[ 32]。この要因により、ファラデーレドックス反応におけるすべての材料の効果的な利用が主に可能になります。さらに、これらの配置により、材料は顕著なメソポーラス外観を示します。これにより、電解質イオンは2 nm未満の細孔径の超微細細孔に入ることができないため、電解質の材料への浸透が大幅に増加します。表面積。図3dから明らかなように、材料の細孔径は2 nmを超えています。これはメソ細孔のカテゴリに属しているため、電解質の輸送に伝導性があります[7]。図3fに見られるように、格子縞の間隔は約0.508 nmと計算されます。これは、Co(CO 3 0.35 Cl 0.20 (OH) 1.10 1.74H 2 O(JDPS38-0547)。

a Co-ClNWのTEM画像。 b Co-ClNWのSEADパターン。 c e 高倍率でのCo-ClNWのTEM画像(( d の表面メソポーラス構造を示す) )、粒子はコンパクトに配置され、( e でCo-ClNWを形成します。 ))。 f Co-ClNWのHRTEM画像

図4aは、すべてのピークが標準カード(JCPDS 38-0547)とよく一致している材料のXRDパターンを示しており、ナノワイヤの化学量論的組成がCo(CO 3 0.35 Cl 0.20 (OH) 1.10 。図4bのXPSスキャンスペクトルから、Co、O、Cl、およびCの含有量が材料のほぼすべての元素を占めていることがわかり、高純度を示しています。 Co-ClNWのCo2pコアX線光電子分光法(XPS)スペクトル(図4c)は、結合エネルギーが780.84および797.04 eVで、スピンエネルギーの分離が約2である2つの主要なピークを示しています。 16eV。これらの2つのピークは、Co2p 3/2 に対応します。 およびCo2p 1/2 それぞれ、2つの明らかな衛星ピークを伴います。塩素のイオン状態は、Cl2p 1/2 として識別できる199.60および198.10eVのスピン軌道相互作用の存在によっても推測できます。 およびCl2p 3/2 それぞれ信号(図4d)。

a XRDパターン、 b XPS調査スペクトル、 c Co 2pスペクトルの高解像度、 d 高解像度Cl2pスペクトル、 e ラマンスペクトル、および f Co-ClNWのQSDFT細孔径分布(挿入図:N2吸収/脱着等温線)

合成されたままのCo-ClNW(NiE)の構成をさらに取得するために、そのラマンスペクトルを0〜2000 cm -1 の波数範囲で示します。 図4eに示されています。約95、813、1045、および1554 cm -1 で観察されたCo-ClNW(NiE)の4つのラマンバンド Cl-Co-Cl、Co-O-H変形モード、-OH変形モード、およびν 3 の曲げモードに割り当てることができます。 (CO 3 2- それぞれ反対称ストレッチモードであり、主成分が上記のテストと一致していることを示唆しています[33、34、35]。図4fの挿入図は、N 2 を示しています。 Co-ClNWs(NiE)の吸着/脱着等温線。ここでは、明らかなH3特性ヒステリシスループと結合したタイプIV等温線が観察され、Co-ClNWs(NiE)への豊富なメソおよびマクロポア分布の存在を示しています。 TEMによる結果と図4fの細孔径分布との一致。相互接続されたメソポアとマクロポアに関するこの多孔質構造は、高速で妨げられないイオン拡散のための連続チャネルを提供するために導電性であり、したがって、活性部位でのイオンの良好なアクセス可能性を保証します。さらに、Co-ClNW(NiE)には、0〜2 nmの細孔サイズでN2の体積吸収がほとんどないため、ミクロ細孔はほとんど存在しません。これは、比表面積が小さい(約5 m 2)原因です。 / g)ただし、上記のXRDで確認された豊富な活性部位を持つ高い結晶化度。

Co-ClNWs(E)電極の電気化学的性能

Co-ClNWs(E)の電気化学的挙動は、6 MKOHを水性電解質として使用するHg / HgO参照電極を備えた3電極セルのCVおよびGCDによって調査されます。図5aは、2、5、10、および20 mv / sの掃引速度でCo-ClNWs(E)に対して取得されたCV曲線に対応します。ここで、すべてのCV曲線は完全であり、対称的なレドックスピークを具体化しています。スキャン速度の増加に伴い、曲線のピーク位置がシフトします。これは、静電容量性能が活物質反応に由来することを示しており、ニッケルフォームネットワークは関連する化学反応に関与していません。さまざまな電流密度でのCo-ClNW(E)の充電曲線と放電曲線を図5bに示します。典型的な特性は、CV曲線とよく一致しています。電極材料の比静電容量は、電流密度1、2、3、5、および8 A / gで、それぞれ975、950、900、825、および640 F / gに達します。容量特性は優れていますが、Co-ClNW(NiE)と比較して明らかに大きな違いがあります。これは、図5cから明らかです。図5dは、Co-ClNWs(E)電極のEISスペクトルを示しており、半円の直径によって反射されるファラデー抵抗は約2Ωであることがわかります。そのような大きな抵抗は、必然的に、電荷蓄積プロセス中の電子の高い妨害につながる。図5eでは、Co-ClNWs(E)でCVサイクルテストを実行し、材料が良好で完全な酸化還元曲線を示すことができることを確認しました。これは、500テストサイクル後も材料がその特性を保持できることを示しています。したがって、Co-ClNW(E)の電気化学的挙動を調査した結果、Co-ClNWは優れた容量性材料になる可能性があり、活性部位の適用率を促進することで、より優れた性能が発揮されることがわかりました。その導電性を改善する効果的な方法。

a さまざまなスキャンレートでのCo-ClNWs(E)のCV曲線。 b さまざまな電流密度でのCo-ClNWs(NiE)の定電流充電および放電曲線。 c 2つの電極の放電曲線の比較。 d Co-ClNWs(E)の電気化学的インピーダンススペクトル。 e Co-ClNW(E)の500サイクル後のCV曲線の比較

Co-ClNWs(NiE)電極の電気化学的性能

Co-ClNWs(E)電極の最適化を調べるために、Co-ClNWs(NiE)のCV曲線を同じ3電極構成でテストし、図6a に示します。 2、5、10、および20 mV / sのスキャン速度の種類に関係なく、完全できちんとした曲線が表示されることがわかります。さらに、各曲線は良好な酸化還元対称性を含み、これは材料が優れた疑似容量特性を持っていることを完全に示しています[36]。スキャン速度が上がると、材料の有効利用領域が減少し、ピークがわずかにシフトします。その結果、電極材料の抵抗と分極により、電気化学的性能が低下します[37、38]。より高いスキャンレートでは、材料種のレドックスピークが依然として明らかであるため、Co-ClNWs(NiE)は高いレート能力を持っていると結論付けることができます。さらに、電流はスキャンレートの増加とともに増加し、イオンと電子をより効率的に伝導する能力を確認します。酸化還元ピークの主な理由は、主にCo 2 + 間の電荷移動に起因します。 / Co 3 + イオンとOH - 反応に関与する電解質中のイオン[39]。文献[40]を確認した後、レドックスピークは次の反応に対応します。

$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} \ mathrm {Co} {\ left(\ mathrm {OH} \ right)} _ 2 \ kern0.5em + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow \ mathrm {CoOOH} \ kern0.5em + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {e} ^ {-} \\ {} \ mathrm {Co} \ mathrm {OOH} \ kern0.5em + \ kern0.5em {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow {\ mathrm {CoO}} _ 2 \ kern0.5em + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ kern0。 5em + \ kern0.5em {e} ^ {-} \ end {array}} $$

a さまざまなスキャンレートでのCo-Cl(NiE)のCV曲線。 b 1 A / gでのCo-ClNWs(NiE)の定電流充放電曲線(挿入図:1A / gでのCo-ClNWs(NiE)の同じ電流でのニッケルフォームのGCD曲線)。 c さまざまな電流密度でのCo-ClNWs(NiE)のGCD曲線。 d 8 A / gの電流密度でのCo-ClNW(NiE)の長いサイクル性能と静電容量の保持。 e さまざまな放電電流密度での平均比容量。 f 100 kHz〜10 mHzの周波数範囲での電気化学的試験前後のCo-ClNW(NiE)のEISスペクトル。 g 20 mV / sのスキャンレートでのCo-ClNWs(NiE)とACのCV曲線。 h さまざまなスキャンレートでの製造時のCo-ClNWs(NiE)// AC ASCデバイスのCV曲線と対応するGCD曲線( i )電流密度が異なる

図6bは、電流密度1 A / gでの材料のGCD曲線を示しています。 GCD曲線の形状には明らかなプラトーがあることがわかります。これは、材料がCV曲線に対応するレドックス反応を受けることを証明しています。放電曲線の一部にある材料の内部抵抗により、電圧が急激に低下することが観察できます[41]。さらに、図6bと図5cから、最適なサンプルCo-ClNWs(NiE)が示す静電容量は、単一のCo-ClNWs(E)とニッケルフォームを追加した場合よりも高いことが推測できます。直接成長によるCo-ClNWとニッケルフォームの組み合わせは、電極の電荷蓄積能力を強化するための促進に貢献します。つまり、ニッケルフォームはそれ自体で静電容量を提供するだけでなく、良好な電気的接触と機械的接触を保証するバックボーンとしても機能します。図1のSEMの図に明らかなように、付着によりCo-ClNWの利用率が向上します。図6cは、さまざまな電流密度でのGCD曲線を示しており、1Aの電流密度で2150F / gの比静電容量があります。 / g(表1で最近公開された多くの作品よりも高い)。これは、Coの4996 F / gのイオン比容量に対応し、Co-ClNW(NiE)の優れた電荷蓄積能力を示します[42]。さらに、電極のレート性能と長期安定性は、さまざまな電流密度でのCo-ClNWs(NiE)電極の比静電容量に応じてさらに得られ、図6eに示されています。コンデンサの性能は低下しますが、高出力特性を発揮します。コンデンサの比容量は、電流密度2、3、5、および8 A / gで、それぞれ1985、1872、1599、および944 F / gに維持されます。放電容量は、Co-ClNW(NiE)の安定性をテストするために、図6dで複数のサイクルでテストされています。これは、初期サイクルでの比容量の94.3%で、500サイクル後に維持できます。ただし、今後のテストでは、電極からの活物質の分離が500サイクルを超えて観察されます。これは、ファラデーレドックス反応に関与するバルク材料の構造変化に起因する可能性があり、与えられた電流密度の下でのCo-ClNWの質量。したがって、このような混乱した問題を明らかにするために、私たちの継続的な作業には、サイクリング中に発生した電気化学的ひずみの可逆性の追跡が含まれます。図6fに示すように、テスト前(MBT)とテスト後(MAT)の材料の電気化学的インピーダンススペクトルは、前半の半円と後半のスラッシュで構成されています。高周波での実軸切片は、電解質抵抗と活物質と集電体の間の接触抵抗を表すと一般に認められています[43]。低周波領域の直線は、イオン拡散抵抗によるものです[30]。 MBTの高周波での実軸切片値はMATよりも小さいことがわかります。これは、MBTの等価直列抵抗が比較的小さいことを意味します。さらに、MBTの直線はMATの直線よりも傾斜が大きいことがわかります。これは、MBTがより優れたイオン拡散を示すことができることも示しています。低周波領域の2つの傾きは、徐々に y に向かって傾斜します。 -軸。電解質イオンが材料の細孔構造に急速に拡散する可能性があることを示します。反応の律速段階は、電極材料が良好な電気的特性を有するように、電極材料の表面での電気化学反応に従って決定することができる。

<図>

Co-ClNWs(NiE)の実際の電荷蓄積能力をさらに評価するために、Co-ClNWs(NiE)とACをそれぞれ正極と負極として使用する非対称スーパーキャパシタ(ASC)を製造しました。図6gは、ACの電位窓が-1から0 V、Co-ClNWs(NiE)が0から0.6 Vの3電極システムで測定されたCo-ClNWs(NiE)とACのCV曲線を示しています。製造されたままのASCは1.6Vまで動作できると予想されます。図6hに示すように、異なるスキャンレートでのASCのCV曲線は、典型的なファラデー特性を示す1対の見かけのピークを示しています[44]。さらに、117.5 F / gの比静電容量は、1280.7 W / kgの電力密度で41.8W h / kgの高エネルギー密度に従って、図6iの1 A / gでのGCD曲線から取得できます。最近公表された多くの作品よりも高い[45、46]。電流密度が8A / gに拡大された場合でも、ACSは6397.3 W / kgの高電力密度の下で21.2W h / kgのエネルギー密度を示すことができます。この結果は、Co-ClNWs(NiE)を正極としたACSが、バルクレドックス反応を伴うものの、高電力密度を犠牲にすることなく高エネルギー密度を示すことを明確に示しており、高エネルギー貯蔵能力を高速に保つための可能な方法を反映しています。充電および放電プロセス。

結論

要約すると、Co-ClNWs(NiE)電極は、簡単なワンステップ水熱法によって製造されます。活物質Co-ClNWは、市販のニッケルフォーム上に堆積され、自立型スーパーキャパシタ電極を形成します。 PTFE付着法で作製したCo-ClNWs(E)電極の構造を最適化した後、Co-ClNWs(NiE)電極は、電流密度1 A / gで2150F / gの高い比容量を示します。電流密度が最大8A / gの場合でも、6397.3 W / kgの高電力密度で21.2W h / kgの大きなエネルギー密度。これらの結果は、Co(CO 3 0.35 Cl 0 .20 (OH) 1.10 1.74H 2 O NWは、次世代のエネルギー貯蔵装置の非常に有望な候補です。これに基づいて、ニッケルフォームの構造上の利点により、活物質は容量特性を完全に反映します。この論文で説明されている電極設計の概念は、高エネルギースーパーキャパシタの開発を可能にします。

略語

ASC:

非対称スーパーキャパシタ

Co-ClNW:

塩素をドープした炭酸コバルト水酸化物ナノワイヤー

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWがニッケルフォームに付着している

Co-ClNWs(NiE):

ニッケルフォーム上で成長したCo-ClNW

CV:

サイクリックボルタンメトリー

EDLC:

電気二層コンデンサ

GCD:

定電流充電および放電測定

MBTおよびMAT:

サイクリング前後のCo-ClNWs(NiE)の電気化学的インピーダンススペクトル


ナノマテリアル

  1. スーパーキャパシター用の高性能電極としての廃綿手袋に由来する階層的ナノ構造を有する活性炭繊維
  2. リチウムイオン電池用の高性能アノード材料としてMWNTに固定されたSiO2 @ Cナノ粒子の容易な合成
  3. アスペクト比が異なり、高性能で柔軟な透明電極として使用される銀ナノワイヤーの容易な合成
  4. CO2から環状カーボネートを合成するための効率的な不均一系触媒としてのトリフェニルホスフィンベースの機能性多孔質ポリマー
  5. 超長くて細い銅ナノワイヤの容易な合成とその高性能で柔軟な透明導電性電極への応用
  6. 高性能スーパーキャパシタ用の2次元VO2メソポーラスマイクロアレイ
  7. 高性能リチウムイオン電池用の共沈/焼成経路を介したMoS2 / Cナノコンポジットのフミン酸支援合成
  8. 高性能スーパーキャパシター用のアニオン性界面活性剤/イオン液体挿入還元グラフェン酸化物
  9. 高度なナトリウムイオン電池のアノード材料としてのCuGeO3ナノワイヤの合成と調査
  10. 高性能対称スーパーキャパシタ用の窒素ドープミクロポーラスカーボン球の容易な合成
  11. ナトリウムイオン電池の高性能アノード材料用の酸化ケイ素のその場磁気熱還元から生成されたメソポーラスシリコンミクロスフェア