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烟台大学解秀波&杜伟:互连NiSNF/CF@NiSNP复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

学术动态    2022-06-23 17:06

DOI: 10.1016/j.cej.2022.137262

 

由于结构利用率低,碳纤维的比电容一直很低,这严重阻碍了其在高性能超级电容器中的应用。在这项工作中,研究者通过将NiS纳米薄片嵌入到含有NiS纳米颗粒的电纺碳纤维中(NiSNF/CF@NiSNP),为优质电极材料提供了一种新颖且可扩展的“内外协同策略”。将尺寸均匀的NiS纳米颗粒封装在碳纤维的内部区域作为氧化还原活性剂,它赋予了电极额外的法拉第电容,同时有效避免了纳米颗粒的聚集。同时,通过浸渍-硫化过程将均匀分布的NiS纳米薄片牢牢固定在碳纤维的外表面上,显著扩大了离子的可及面积,并通过防止堆积来减轻体积膨胀。得益于巧妙设计的架构,NiSNF/CF@NiSNP-3电极在1A/g下可提供1691.1F/g的可逆比电容和98.5%的出色库仑效率。此外,混合超级电容器的最大能量密度为31.2Wh/kg,功率密度为4004.3W/kg,在高达5000次循环期间的循环耐久性为87.8%。这一“内外协同策略”为增强纤维材料的电化学性能提供了指导性意见,并可扩展至各种能源材料系统。

 

图1.(a)NiSNF/CF@NiSNP复合材料合成过程的形态示意图。(b,c)NiS纳米粒子、(d,e)CF@NiSNP、(f,g)Ni前体/CF@NiSNP-3和(h,i)NiSNF/CF@NiSNP-3的SEM图像。

 

图2.SEM图像:(a,b)NiSNF/CF@NiSNP-1,(c,d)NiSNF/CF@NiSNP-2,(e,f)NiSNF/CF@NiSNP-4和(g,h)NiSNF/CF@NiSNP-5。

 

图3.(a,b)NiSNF/CF@NiSNP-3的低倍TEM图像,(c)NiSNF/CF@NiSNP-3中C、Ni和S元素的EDS元素映射图像,(d)NiSNF/CF@NiSNP-3外部NiS纳米薄片的放大TEM图像,(e)HRTEM图像和(f)SAED图谱。

 

图4.(a)NiSNF/CF@NiSNP-1、NiSNF/CF@NiSNP-2、NiSNF/CF@NiSNP-3、NiSNF/CF@NiSNP-4和NiSNF/CF@NiSNP-5的XRD图谱,(b)CF@NiSNP、NiSNF/CF-3和NiSNF/CF@NiSNP-3的FT-IR光谱,高分辨率X射线光电子光谱:(c)NiSNF/CF@NiSNP-3的全扫描光谱,以及(d)Ni2p、(e)S2p和(f)C1s光谱,(g)拉曼光谱,(h)N2吸附-解吸等温线,(i)CF@NiSNP、NiSNF/CF-3和NiSNF/CF@NiSNP-3的孔径分布。

 

图5.CF@NiSNP、NiSNF/CF-3、NiSNF/CF@NiSNP-1、NiSNF/CF@NiSNP-2、NiSNF/CF@NiSNP-3、NiSNF/CF@NiSNP-4和NiSNF/CF@NiSNP-5在6M KOH电解液中的电化学性能。(a)20mV/s扫描速率下的CV曲线,(b)1A/g电流密度下的GCD曲线,(c)1A/g-10A/g下的比电容比较,(d)不同样品的奈奎斯特图。

 

图6.NiSNF/CF@NiSNP-3在6M KOH电解液中的电化学性能。(a)5mV/s至200mV/s的不同扫描速率下的CV曲线,(b)阳极峰值电流的对数与扫描速率的对数之间的线性关系,(c)1至10A/g的不同电流密度下的GCD曲线,(d)NiSNF/CF@NiSNP-3电极与其他硫化镍基电极的比电容比较,(e)10A/g电流密度下的循环寿命。

 

图7.(a)制备的NiSNF/CF@NiSNP-3//AC HSC器件的示意图,(b)三电极系统中NiSNF/CF@NiSNP-3和AC在20mV/s扫描速率下的CV曲线比较,(c)当扫描速率为20mV/s时不同操作窗口中的CV曲线,(d)HSC器件在5mV/s至100mV/s的不同扫描速率下的CV曲线;(e)HSC器件在0.5至5A/g的不同电流密度下的GCD曲线,(f)HSC器件的奈奎斯特图,(g)HSC器件的Ragone图,(h)由两个串联NiSNF/CF@NiSNP-3//AC HSC器件供电的LED指示灯的照片,(i)HSC器件在5A/g电流密度下的电容保持率和库仑效率。