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江建军教授课题组在超级电容器电极材料研究领域取得重要进展
发布时间:2017-5-11 11:41:44 作者: 来源: 点击率:

  近年来,超级电容器由于其高功率密度、较短的充放电时间、超长寿命与安全性,在混合电动汽车、微型智能电子设备、电网负载装置等领域,被视为最有发展前景的能量储存器件。而超级电容器的性能主要是由电极材料所决定。传统单金属硫化物,如硫化钴、硫化钼、硫化铜、硫化镍,虽具有一定的电化学活性,但其制备过程通常会引入有毒有害试剂,并释放出大量硫化氢气体,对人体和环境都有巨大危害。此外,除了材料的本征特性,其微观结构也对超级电容器的性能产生巨大影响。相较于电池而言,超级电容器中的储能反应往往发生在材料的表面与近表面,是一种吸脱附过程,主要由电化学反应速率控制。因此,电极材料与电解液接触面积越大,其电化学反应的活性位点势必会更多,从而使其性能更好。如何设计出具有特殊微观结构并拥有高电化学活性的电极材料是当前超级电容器研究领域的热点与难点。

  近期,针对传统硫化镍制备工艺复杂、电化学性能较差等特点,博士生阮运军在江建军教授指导下采用一种新颖的两步水热法成功制备了铝掺杂的硫化镍纳米花电极材料。在第一步水热反应中,加入硝酸铝盐作为结构诱导剂,形成镍铝碱式碳酸盐纳米花前驱体。在第二步水热反应中,加入的硫化钠通过柯肯达尔效应在前驱体内部产生大量介孔的同时,将其转变为了硫化镍纳米花,并残留了部分铝元素存在于硫化镍晶体中,形成掺杂相。研究表明,铝掺杂的硫化镍纳米花与未加入硝酸铝的硫化镍相比,其BET比表面积从15.3 m2 g-1提升到了45.3 m2 g-1,此外,由于铝掺杂,导致部分电子从铝原子转移到镍原子,增加其电荷密度,使其电化学活性得以提高。这一电子转移过程在XPS测试中得到证实,同时也与第一性原理计算结果相吻合。该铝掺杂的硫化镍纳米花电极在1 A g-1的电流密度下比电容为1394.6 F g-1(697.3 C g-1),远远高于未加铝盐的硫化镍(~600 F g-1),并且在2500次循环充放电后,比电容仍能保持80%以上。为了进一步研究它的器件性能,将其(正极)与活性炭(负极)组装成水系超级电容器器件。该器件能在1.6 V的电压下稳定工作,在电流密度为1A g-1下比电容为97.1 F g-1,在0.9 kW kg-1的功率密度下负载的能量密度为39.6 W h kg-1,并且在4000次充放电循环后仍能保持83%的比电容值。该研究成果发表在电化学学报(Electrochimica Acta, IF=4.803,http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468617306229),江建军教授,王春栋副教授为该论文共同通讯作者。

图1 (a)铝掺杂的硫化镍纳米花SEM图;(b)未加入硝酸铝的硫化镍SEM图;(c)硫化镍电极的CV曲线;(d)硫化镍电极电容值随电流密度变化曲线。

 

  此外,阮运军同学在导师江建军指导下采用一种快速自组装的溶液法合成了含镍硫的有机物前驱体,并通过高温退火处理,得到二硫化镍多孔方棒,该工作发表在电化学国际权威杂志Journal of Power Sources, (IF=6.333, 该论文入选ESI高被引论文前1%, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775315303839,)。鉴于江建军教授课题组在过渡族硫化物超级电容器方面的取得的丰硕研究成果,应材料学国际著名期刊J. Mater. Chem. A编辑邀请, 阮运军同学以第一作者在于2016年在J. Mater. Chem. A上发表了有关镍基化合物在超级电容器中应用的长篇综述论文(IF=8.262, http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta05104a)。

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