莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

低結(jié)晶性羥基氧化鐵納米顆粒：電化學(xué)性能優(yōu)異的超級電容器負(fù)極材料

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

作為一種新型的能源存儲器件，超級電容器具有許多優(yōu)異特性：高功率密度、充電時間短、使用壽命長等，然而，超級電容器過低的能量密度大大限制了其廣泛應(yīng)用，根本原因是受限于電極材料本身的儲能機(jī)制特性1,2。根據(jù)儲能機(jī)制的不同，電極材料主要分為兩大類：雙電層物理吸附的碳基材料(低比電容)和表面近表面氧化還原反應(yīng)的贗電容材料(高比電容)3,4。目前為了提高超級電容器的能量密度，主要采取的策略是選取贗電容材料為正極，雙電層碳基材料為負(fù)極設(shè)計組裝非對稱式超級電容器，然而受限于碳基負(fù)極材料本身的雙電層儲能特性，得到的非對稱式全電容器的比電容依然較低，無法滿足儲能器件能量密度的要求5。因此，亟需研究開發(fā)具有高比電容，高倍率特性，優(yōu)異循環(huán)特性的超級電容器負(fù)極材料，在水系電解液下(相比于有機(jī)和離子液體體系，水系具有器件組裝方便、安全環(huán)保、成本低等優(yōu)點)設(shè)計組裝得到高能量密度、高功率密度、長壽命的超級電容儲能器件。

圖1 低結(jié)晶性超級電容器負(fù)極材料及其電化學(xué)特性(a)Fe2O3高結(jié)晶性；(b)電化學(xué)活化后FeOOH低結(jié)晶性；(c)FeOOH循環(huán)伏安曲線圖(d)高負(fù)載量下優(yōu)異倍率性能；(e)水系下高能量密度；(f)不受擴(kuò)散控制的電化學(xué)動力學(xué)過程

最近武漢理工大學(xué)麥立強教授課題組通過簡單的水熱和電化學(xué)法設(shè)計合成了一種具有優(yōu)異電化學(xué)儲能特性的超級電容器負(fù)極材料，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上6。經(jīng)過前期電化學(xué)活化后，電極材料由高結(jié)晶性氧化鐵轉(zhuǎn)化為低結(jié)晶性羥基氧化鐵(圖1(a,b))。循環(huán)伏安曲線表現(xiàn)為具有雙電層電容特性的類矩形形狀，顯示出優(yōu)異的電容儲能特性(圖1c)。即使在活性物質(zhì)負(fù)載量達(dá)到9.1 mg·cm?2時(達(dá)到商業(yè)化活性物質(zhì)負(fù)載量標(biāo)準(zhǔn))，在1 A·g?1的電流密度下，仍具有716 F· g?1的比容量，在大電流充電下(充電時間小于1 min)，比容量依然達(dá)到427 F·g?1(圖1d)。

此項研究發(fā)現(xiàn)，低結(jié)晶性羥基氧化鐵具有如此優(yōu)異電化學(xué)儲能性質(zhì)主要歸因于其電容行為的電化學(xué)儲能特性7，儲能過程中電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)離子嵌入擴(kuò)散控制的容量貢獻(xiàn)只占10.4%(5 mV· s?1)(圖1f)，使得負(fù)極材料在有高比電容的同時兼具有高的倍率和好的循環(huán)特性。當(dāng)與鉬酸鎳正極材料在水系下組裝成非對稱式儲能器件時，其工作電壓可以達(dá)到1.7 V，在功率密度為1.27 kW·kg?1時能量密度為104 Wh·kg?1(圖1e)。當(dāng)活性物質(zhì)質(zhì)量占整個器件質(zhì)量35%的時候(包括活性物質(zhì)、集流體和隔膜的質(zhì)量)，儲能器件能量密度依然達(dá)到31.44 Wh·kg?1，循環(huán)10000次容量保持率為80%6。

該項研究得到的超級電容器負(fù)極材料符合超級電容器負(fù)極材料的要求，同時也為設(shè)計制備高能量密度、高功率密度、長壽命、安全高效能源儲存器件提供了新的思路。

(2)Simon,P.;Gogotsi,Y.;Dunn,B.Science 2014,343,1210.doi: 10.1126/science.1249625

(3)Salanne,M.;Rotenberg,B;Naoi,K.;Kaneko,K.;Taberna,P.L.; Grey,C.P.;Dunn,B.;Simon,P.Nat.Energy 2016,1,16070.doi: 10.1038/NENERGY.2016.70

(4)Augustyn,V.;Simon,P.;Dunn,B.Energy Environ.Sci.2014,7, 1597.doi:10.1039/c3ee44164d

(5)Lukatskaya,M.R.;Dunn,B.;Gogotsi,Y.Nat.Commun.2016,7, 12647.doi:10.1038/ncomms12647

(6)Owusu,K.A.;Qu,L.;Li,J.;Wang,Z.;Zhao,K.;Yang,C.; Hercule,K..;Lin,C.;Shi,C.;Wei,Q.;Zhou,L.;Mai,L.Nat. Commun.2017,8,14264.doi:10.1038/ncomms14264

(7)Brezesinski,T.;Wang,J.;Tolbert,S.H.;Dunn,B.Nat.Mater. 2010,9,146.doi:10.1038/NMAT2612

Low-Crystalline Iron Oxide Hydroxide Nanoparticles: High-Performance Anode for Supercapacitors

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

imon,P.;Gogotsi,Y.Nat.Mater.2008,7,845.

10.1038/ nmat2297

doi:10.3866/PKU.WHXB201703141