郝跃院士团队:新型纳米复合结构提升全固态超级电容器的赝电容等性能

Superior Pseudocapacitive Storage of a Novel Ni₃Si₂/NiOOH/Graphene Nanostructure for an All-Solid-State Supercapacitor

Jing Ning*, Maoyang Xia, Dong Wang*, Xin Feng, Hong Zhou, Jincheng Zhang, Yue Hao
Nano‑Micro Lett.(2021)13:2
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00527-w

本文亮点

1采用低压固态熔融重构化学气相沉积法成功制备了三种类型的Ni₃Si₂,其生长模式随碳源含量的变化而变化。

2. 在富碳气氛中,高能原子轰击Ni和Si表面,降低了Ni-Si颗粒热力学平衡中的自由能,对Ni-Si纳米晶的生长起到了重要的催化作用。

3. Ni₃Si₂/NiOOH/石墨烯复合结构具有较大的比表面积,NiOOH抑制了碱性溶液中电极表面的绝缘,加速了电子交换速率。

内容简介

微型超级电容器具有更高的充放电速率、功率密度和更长的循环寿命,为电子元件节省空间,减小器件整体尺寸,是芯片式储能器件的最佳选择。近年来,关于多孔纳米结构的不断改进、薄膜的掺杂以及三维结构构筑成为主要的研究热点。但目前所报道的石墨烯基超级电容器还存在着能量密度偏低的问题。西安电子科技大学郝跃院士团队采用低压全固态熔融重构化学气相沉积法制备技术,制备了一种可规模化生产,同时具有高机械强度、柔韧性以及优异的能量存储性能的全固态超级电容器。本文制备了爬山虎状新型多孔Ni₃Si₂/NiOOH/石墨烯多孔纳米结构。在富碳气氛中,高能原子轰击Ni和Si表面,降低了Ni-Si固体颗粒热力学平衡中的自由能,极大催化了Ni-Si纳米晶的生长。通过控制碳源含量,稳定地合成了结晶度高、均匀性好的Ni₃Si₂单晶。电化学测量表明,纳米结构在1 A/g时表现出835.3 C/g (1193.28 F/g)的超高比容量;当作为全固态超级电容器集成时,在750 W/kg时提供高达25.9 Wh/kg的显著能量密度,这可归因于独立的Ni₃Si₂/石墨烯骨架提供了较大的比表面积,并且NiOOH在碱性溶液中抑制了电极表面的绝缘,从而加速了电子交换速率。高性能复合纳米结构的生长简单可控,为微型储能器件的大规模生产和应用提供了可能。

图文导读

I 电极材料的形貌结构表征

采用低压固态熔融重构化学气相沉积法与水热合成相结合的策略,构造了爬山虎状Ni₃Si₂/NiOOH/graphene纳米结构。如图1所示,首先通过低压固态熔融重构化学气相沉积法在泡沫镍表面生长了均匀Ni₃Si₂/graphene纳米骨架,然后在表面水热生长NiOOH纳米片。
图1. 爬山虎状纳米结构形成与演化示意图。
图2. (a) Ni₃Si₂纳米核的SEM图;(b) 纳米线Ni₃Si₂的SEM图;(c) 爬山虎状Ni₃Si₂纳米结构的SEM图;(d) 非晶态Ni₃Si₂纳米结构的SEM图,(e) 不同碳含量条件下的圆度频率分布图,(f) 不同碳含量条件下Ni₃Si₂/石墨烯纳米结构的平均尺寸和密度的变化。
图3. 含碳量为6.25%条件下Ni-Si纳米结构生长周期的SEM图像(a) 0分钟,(b) 30分钟,(c) 60分钟。(d) 纳米结构平均尺寸和密度随时间的变化。
图4. 爬山虎状Ni₃Si₂/NiOOH/graphene纳米结构的(a-d) TEM图像,(e) EDS元素扫描图。
图5. (a) Ni₃Si₂/NiOOH/graphene的拉曼光谱。(b) NiOOH/graphene和Ni₃Si₂/NiOOH/graphene的XRD图谱。(c-f) Ni₃Si₂/NiOOH/graphene的XPS图像。
II 超级电容器的电化学性能表征
爬山虎状Ni₃Si₂/NiOOH/graphene复合电极比容量可达1193.28 F/g (1 A/g时)。全固态超级电容器能量密度可达25.9 Wh/kg (750 W/kg时),在6000次循环后,电容保持率可达90%。
图6. Ni₃Si₂/NiOOH/graphene、Ni₃Si₂/graphene和NiOOH/graphene电极的(a) 循环伏安曲线(10 mV/s)对比图,(b) 阳极峰的对数(扫描速率)与对数(峰值电流)图,(c) 不同扫描速率下的赝电容贡献百分比,(d) 不同电流密度下的恒电流充放电曲线,(e) 不同电流密度下的比电容对比,(f) 奈奎斯特曲线对比图。

7. 全固态Ni₃Si₂/NiOOH/graphene超级电容器的(a) 循环伏安曲线图,(b) 恒电流充放电曲线图,(c) 奈奎斯特曲线图,(d) Ragone图,(e) 循环寿命曲线图。(f) 全固态电容器在6000次循环前后的奈奎斯特对比图。(g, h) 全固态电容器在6000次循环前后的SEM图。(i) LED灯演示图。

作者简介

宁静

本文通讯作者

西安电子科技大学 副教授

主要研究领域

新型半导体材料与功能器件研究。

主要研究成果

先后主持及参与了国家自然科学基金青年基金、国家重大科技专项、国家重点研发计划、中国博士后基金(一等资助)和陕西省自然基金重点产业创新链等多个项目。目前已在Advanced Functional Materials, Advanced Optical Materials, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, IEEE Electron Device Letters, Nano Research, Carbon国际一流专业期刊及会议发表论文60余篇;授权第一发明人国家发明专利12项,国际专利3项。获得“陕西省高校科协青年人才托举计划(2018)”,“陕西省青年科技新星(2020)”等荣誉称号。

Email: ningj@xidian.edu.cn

个人主页

https://web.xidian.edu.cn/ningjing/

王东

本文通讯作者

西安电子科技大学 副教授

主要研究领域

石墨烯及类石墨烯二维功能材料与器件、宽带隙半导体材料与器件。

主要研究成果

先后主持国防973子课题、国防863论证项目、教育部博士点基金、陕西省重大基础研究计划、陕西省产业链项目等项目。在主流期刊发表论文13篇,申请国家发明专利30余项。2017年9月开始担任西安电子科技大学芜湖研究院副院长。

Email: chankwang@xidian.edu.cn

个人主页

https://web.xidian.edu.cn/wangdong/

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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