硫化物核壳结构材料的制备及其在超级电容器中的应用

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超级电容器具有比电容高、使用寿命长、充电时间短、资源节约以及环境友好等优点,因此引起了普遍的重视。然而,低的能量密度成为了其主要的技术障碍。根据能量密度公式(E=1/2CV2)可知,超级电容器的比电容和工作电压对于提高能量密度尤为重要。本文结合新型硫化物和核壳结构,制备了一系列硫化物核壳结构电极材料。然后以硫化物核壳结构材料为正极,活性炭为负极设计了非对称超级电容器。通过水热反应在泡沫镍上生长三棱锥状的Ni3S2阵列,然后采用电沉积的方法在其上负载卷曲的CoS纳米片,制备了Ni3S2@CoS复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和光电子能谱(XPS)对材料的结构和形貌进行表征,同时在三电极体系中对Ni3S2和Ni3S2@CoS电极进行测试。结果表明,在4 mA cm-2的电流密度下,Ni3S2@CoS电极的面积比电容高达4.89 F cm-2,这要比纯的Ni3S2电极(1.97 F cm-2)高得多。Ni3S2@CoS电极在电化学性能上的优势主要源于:一方面Ni3S2与CoS都是具有代表性的赝电容材料,两者产生了协同作用;另一方面Ni3S2@CoS阵列核壳结构,能够加快电解质离子的扩散速度,同时为电荷转移提供有效路径。以Ni3S2和Ni3S2@CoS作为正极材料,以商用活性炭为负极材料,设计了非对称超级电容器。电化学测试结果表明,当电流密度为1.43 mA cm-2时,Ni3S2@CoS非对称超级电容器的面积比电容可达0.68 F cm-2。当功率密度为0.14kW kg-1时,其能量密度高达28.24 Wh k g-1。另外,循环寿命测试表明,经过2000次循环充放电后,Ni3S2@CoS非对称超级电容器的比电容仍能保持初始值的98.83%,表现了持久的循环寿命。采用离子交换的方式在泡沫镍上生长NiCo2S4纳米管阵列,而后在其上电沉积层叠卷曲的片状Co(OH)2,得到NiCo2S4@Co(OH)2复合材料。利用XRD、SEM和TEM对材料的结构和形貌进行表征,同时在三电极体系中对NiCo2S4和NiCo2S4@Co(OH)2电极进行测试。在2 mA cm-2的电流密度下,NiCo2S4@Co(OH)2电极的面积比电容高达9.6 F cm-2,几乎是NiCo2S4电极的两倍。即使电流密度达到最大值32 mA cm-2,NiCo2S4@Co(OH)2电极的面积比电容仍然维持在6.4 F cm-2。NiCo2S4@Co(OH)2复合材料优秀的电化学性能主要源于以下几个原因。首先NiCo2S4纳米管具有中空的阵列结构,促进了电解质离子的扩散。其次NiCo2S4还具有良好的导电性。此外,NiCo2S4@Co(OH)2纳米管阵列与基体泡沫镍紧密结合,不易脱落,有利于循环稳定性。以NiCo2S4、NiCo2S4@Co(OH)2为正极材料,商用活性炭为负极材料,构建非对称超级电容器。电化学测试结果表明,当电流密度从0.5 A g-1增大到4 A g-1时,NiCo2S4@Co(OH)2非对称超级电容器的比电容由100.94 F g-1变化到73.75 F g-1。当功率密度在0.4 kW kg-1时,能量密度高达35.89 Wh kg-1。并且循环寿命测试表明,经过5000次循环充放电后,NiCo2S4@Co(OH)2非对称超级电容器的比电容仍能维持初始值的70.10%,表现了良好的循环稳定性能。由此可见,NiCo2S4@Co(OH)2电极材料在非对称超级电容器上具有巨大的应用潜能。
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