超级电容器电极飞秒激光复合化学氧化法制备

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超级电容器(Electrochemical Capacitors,ECs)是一种通过极化电解质进行充放电的储能器件,其中赝电容型ECs是在电极表面和内部进行高度可逆化学吸附、脱附或氧化还原反应产生电容。因此通过增加电极表面积及提高电极表面对电解液的吸附性可有效提高电极的电化学性能。飞秒激光具有峰值功率高、与材料作用时间短、应用范围广等特点,使其在微纳加工领域有着重要的应用。飞秒激光与金属相互作用可提高金属表面积,同时实现对金属表面进行改善,是制备电极三维集流体的有效手段。本研究通过飞秒激光复合化学氧化的方法制造具有周期阵列结构的三维MnOx(3D-MnOx)ECs电极:首先采用飞秒激光刻蚀技术在Mn表面刻蚀加工出高度约为65μm的方形周期阵列微结构,然后采用H2O2溶液将微结构表面转化为200-500 nm的MnOx颗粒。以0.1 MNa2SO4为电解液进行电化学性能测试,3D-MnOx电极以10 mV/s的扫描电压速度获得循环伏安曲线(CV)的最大面积电容为67.71 mF/cm2,比平面MnOx电极增加了约15 mA/cm2的面积电容,以0.2mA/cm2的电流密度获得恒流充放电曲线(GCPL)的最大面积电容为68.77mF/cm2,比平面MnOx电极电容面积提高了约40.47%。以0.8 mA/cm2的电流密度恒流充放电2000次后,容量保持在最大面积电容的83.58%,具有良好的循环稳定性。在后续的电极表面浸润性的测试中可观测到:首先,飞秒激光与Mn的相互作用实现了金属的表面改性,表面接触角由120°降低到30°,金属表面由疏水性表面转变为亲水性表面,由于刻蚀后的金属表面具有亲水特性,这极大的提高了电解液与金属表面的附着力;其次,经过H2O2氧化后的三维电极表面的接触角降低到18°,这表明结构表面含有亲水性高表面能氧化物或氢氧化物,3D-MnOx电极更有利于吸收电解液中的离子,实现离子的传递与交换。综上所述,3D-MnOx电极具有良好的电化学性能,这取决于以下优点:(1)表面微结构提高了电解液与活性物质的接触面积;(2)电极未使用导电剂或粘结剂,金属基底增加了MnOx材料导电性;(3)飞秒激光改变了金属表面的浸润性;(4)电极表面含有亲水性氧化物或氢氧化物。
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