Acta Materialia：多孔MnCo2O4納米棒/Ni泡沫電極用于不對稱超級電容器

【引言】

超級電容器由于其功率密度高，充放電速度快，循環壽命長，環境友好，低成本和多樣化配置而被認為是新興的能源轉換和存儲設備。具有多孔結構的材料是理想的集流體，因為它可以有效地擴大電極材料的比表面積和表面積-體積比，縮短電極和電解質之間的電子傳輸路徑和離子傳輸，并且在電荷存儲過程中提供更易接近的法拉第反應活性位點。若納米結構材料直接在集流體或導電基體上生長，可以有效避免聚合物粘結劑和導電劑的添加，這樣不僅大大增加了導電基底上活性材料的性能，還有效地增加了集電器和有源元件之間的接觸面積。因此，直接在集流體上生長納米結構材料能顯著增強超級電容器的電化學性能。目前有多種制備電極材料的方法，如水熱法，化學氣相沉積法，熔鹽法等，但這些方法都較為復雜且耗時，這無疑增加了超級電容器的成本。因此開發一種高效且環保的納米結構電極材料新型制備方法仍然是一項艱巨的任務。

【成果簡介】

近日，渤海大學許家勝副教授和吉林大學劉曉旸教授（共同通訊）的研究團隊在Acta Materialia發表了一篇題為“Fabrication of the porous MnCo₂O₄ nanorod arrays on Ni foam as an advanced electrode for asymmetric supercapacitors”的文章。在這篇文章中，他們采用一種簡便的合成方法，通過在室溫下進行共沉淀反應以及后續熱處理，成功在三維Ni泡沫（PMCN @ NF）上生長了多孔MnCo₂O₄納米棒陣列，其能作為不對稱超級電容器的先進電極。該電極具有845.6 F g-1的良好電容（測試條件：1 A·g^-1），經過2000次循環測試后，仍有90.2％的初始電容保持率。在此基礎上制得的MnCo2O4 // rGO不對稱超級電容器的開路電壓穩定在1.6 V，最大能量密度為53.7 Wh·kg^-1（功率密度為1600 W·kg^-1時）。當功率密度達到8000 W·kg^-1時，它的能量密度仍然達到31.6 Wh·kg^-1。該裝置在5000次循環后還能達到82.0％的初始電容保持率。

【圖文導讀】

圖一 合成方法示意圖

圖二 結構表征

（a）MnCo₂O₄ XRD圖譜；

（b）MnCo2O4的尖晶石結構。

圖三 Mn_1/3Co_2/3C₂O₄·2H₂O的FTIR光譜

圖四 Mn_1/3Co_2/3C₂O₄·2H₂O的TG/DTG曲線

圖五 PMCN @ NF SEM圖像

（a-f）PMCN @ NF電極材料在不同比例尺條件下的SEM圖像：

比例尺依次為20μm、5μm、1.5μm、1μm、400nm和200nm。

圖六 EDS圖像

（a）MnCo₂O₄ 的元素分布；

（b-d）MnCo2O4的O、Mn、Co元素分布。

圖七 TEM和HRTEM圖像

（a）均勻分布的MnCo₂O₄ TEM圖像；

（b）MnCo2O4的多孔結構 TEM圖像；

（c）MnCo₂O₄ HRTEM圖像；

（d）MnCo2O4的SAED圖像。

圖八 MnCo2O4的氮吸附/解吸等溫圖

圖九 MnCo2O4 XPS圖譜

（a）XPS全譜；

（b）XPS Co 2p譜；

（a）XPS Mn 2p譜；

（b）XPS O 1s譜。

圖十 PMCN@NF電極的電化學性能

（a）CV曲線；

（b）GCD曲線；

（c）電流密度-電容曲線；

（d）Ragone圖。

圖十一 MnCo₂O₄//rGO不對稱超級電容器的電化學性能

（a）不對稱超級電容器裝置結構示意圖；

（b）CV曲線確定電位窗口；

（c）PMCN@NF和rGO 電極的CV曲線；

（d）CV曲線；

（e）GCD曲線；

（f）電流密度-電容曲線；

（g）循環曲線；

（h）Ragone圖。

圖十二 MnCo₂O₄納米棒多孔通道的電化學示意圖

【小結】

該團隊通過簡便的方法制得一種新型PMCN @ NF電極材料，且能直接用作超級電容器的正極。該電極材料的多孔結構是性能提高的主要因素，而負載在上面的MnCo₂O₄納米棒由直徑約6.7nm的大量孔組成。這種獨特的多孔納米結構提供了：（1）大的比表面積（105.6 m²·g^-1），可以增加電極/電解質與電化學活性部位之間的有效接觸以進行電荷儲存; （2）用于電子和離子到法拉第反應內表面的高速通道。這種PMCN @ NF電極在1 A·g^-1下的電化學容量為845.6 F·g^-1，循環穩定性為90.2％（2000次循環）。而MnCo₂O₄ // rGO不對稱超級電容器在1,600 W·kg^-1和8000 W·kg^-1條件下，最大能量密度分別為53.7 Wh·kg^-1和31.6 Wh·kg^-1，而5000次循環后容量保持率為82.0％。因此，以上優異的電化學性能表明PMCN @ NF在超級電容器領域是一種非常有前景的電極材料。

文獻鏈接： Fabrication of the porous MnCo2O4 nanorod arrays on Ni foam as an advanced electrode for asymmetric supercapacitors（Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.025）

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