Einstufige Synthese mesoporöser chlordotierter, karbonatisierter Kobalthydroxid-Nanodrähte für Hochleistungs-Superkondensatoren Elektrode

Einführung

Als eine Art Energiespeicher und -umwandlungsgerät hat der Superkondensator aufgrund seiner schnellen Lade- und Entladerate, seiner hohen Leistungsdichte, seiner langen Zyklenlebensdauer und seiner hohen Zuverlässigkeitsvorteile enorme Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1, 2]. In den letzten Jahren hat es den Mangel der traditionellen Energiespeicher- und -umwandlungsausrüstungen in vielen wichtigen Anwendungen und Zukunftsgebieten wie militärischen elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen, tragbaren Computern usw. ergänzt [3,4,5,6,7]. Allgemein lassen sich Superkondensatoren nach ihren unterschiedlichen Elektronenspeichermechanismen in zwei Typen einteilen:traditionelle elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), die Energie durch Akkumulation von Ladungen in der elektrischen Doppelschicht über elektrostatische Wechselwirkungen speichern, und Pseudokondensatoren, die Energie über Faradaysche Redox speichern Reaktion an der Elektrodenoberfläche [8,9,10,11]. Unter den verschiedenen Pseudokapazitätsmaterialien zeigt Rutheniumoxid eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung, aber hohe Kosten, geringe Porosität und toxische Natur schränken seine kommerzielle Anwendung stark ein [12]. Daher einige billigere und umweltfreundlichere, aber hochkapazitive Metalloxide/Hydroxide wie NiO, Co₃ O₄ , Fe₃ O₄ , Fe₂ O₃ , V₂ O₅ , Co(OH)₂ , und Ni(OH)₂ haben sich zu den vielversprechendsten Kandidaten entwickelt [13]. Co(OH)₂ , das die offensichtlichen Vorteile wohldefinierter reversibler Redoxreaktionen mit hoher theoretischer spezifischer Kapazität zeigt, wurde als besonders attraktives potenzielles Material angesehen [14]. Die Studie stellt fest, dass sich die hohe Kapazitätsleistung in einer speziellen morphologischen Struktur mit hoher spezifischer Oberfläche widerspiegelt [6, 15, 16, 17, 18]. Nach früheren Berichten synthetisierten Mahmood und seine Mitarbeiter chlordotiertes kohlensäurehaltiges Kobalthydroxid (Co(CO₃ )_0,35 Kl_0,20 (OH)_1,10 1,74H₂ O) Nanodrähte mit außergewöhnlicher Kapazität und ausgezeichneter Energiedichte zusammen mit hoher Geschwindigkeit und Stabilität. Es wird angenommen, dass solch hohe Kapazitäts- und Energiedichten auf die einzigartige Struktur des Co(CO₃ )_0,35 Kl_0,20 (OH)_1,10 Nanodrähte, bei denen die hydrophile Natur die Benetzbarkeit der Elektrodenoberfläche signifikant verbessern kann, und das Vorhandensein von Gegenstrukturstabilisator-Anionen (Cl ⁻ oder/ und CO3 ²⁻ ) kontrolliert effektiv die Polarisation der Elektrode [19]. Inspiriert von den Überlegenheiten solcher Arbeiten, die Aussicht auf eine Optimierung der strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften durch Dotierung einiger Elemente in Co(OH)₂ ist vorgesehen.

Um eine hohe spezifische Oberfläche und andere spezielle Morphologien zu erhalten, beginnen die Forscher gleichzeitig mit Innovationen in der Struktur [17, 20, 21, 22, 23]. Wenn aktives Material an der anderen Elektrodenmaterialoberfläche angebracht wurde, könnte es eine Paketkern-Schale-Struktur oder eine geschichtete dreidimensionale Struktur bilden, die die Wirkung des aktiven Materials und des Elektrolytionenkontakts bei der Verbesserung der Reaktionseffizienz sicherstellen könnte. Shude Liu und seine Mitarbeiter schlugen beispielsweise eine Superkondensatorelektrode vor, die eine dreidimensionale selbsttragende hierarchische MnCo-geschichtete Doppelhydroxide@Ni(OH)₂ . umfasst [MnCo-LDH@Ni(OH)₂ ] Kern-Schale-Heterostruktur auf leitfähigem Nickelschaum [24]. Das resultierende MnCo-LDH@Ni(OH)₂ Struktur wies eine hohe spezifische Kapazität von 2320 F/g bei einer Stromdichte von 3 A/g auf, und eine Kapazität von 1308 F/g wurde bei einer hohen Stromdichte von 30 A/g mit einer überlegenen langen Zyklenlebensdauer aufrechterhalten. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien war das Herstellungsverfahren jedoch mit den Problemen einer komplizierten Bedienung, harschen Reaktionsbedingungen und einer geringen Erfolgsrate konfrontiert. Daher ist eine praktischere Vorbereitungsmaßnahme zum Erhalt einheitlicher und geordneter Elektrodenmaterialien mit hoher elektrochemischer Leistung dringend erwünscht [25].

In diesem Artikel werden mesoporöse chlordotierte, karbonatisierte Kobalthydroxid-Nanodrähte (Co-ClNWs) direkt auf dem Nickelschaum gezüchtet, um die Nickelschaumelektrode (Co-ClNWs(NiE)) durch ein einfaches hydrothermales Verfahren in einem Schritt basierend auf dem Leistungsvorteile von Co(OH)₂ . Der elektrochemische Leistungstest wird mit Co-ClNWs(NiE) direkt als Arbeitselektrode durchgeführt, was eine wichtige Maßnahme zur Verbesserung sowohl der spezifischen Kapazität als auch der Energiedichte für eine vernünftige Realisierung der inneren aktiven Zentren der Bulkmaterialien zur Energiespeicherung darstellt. Inzwischen wird der Leistungsvergleich mit der herkömmlichen Elektrode durchgeführt. Es bietet eine praktikable Referenzmethode für die Kapazitätserhöhung und die Anwendungsentwicklung von Co-Materialien und bietet auch neue Ideen für die Struktur und Produktion der Kondensatorindustrialisierung in der Zukunft.

Methoden

Synthese von Co-ClNWs auf Ni-Schaum

Ni-Schaum wurde von Canrd Co., Ltd., China, bezogen. Vor der Verwendung wurde es 0,5 h mit 0,5 M HCl unter Ultraschall behandelt und dann nach dem Waschen mit großen Mengen entionisiertem Wasser und Ethanol 12 h bei 80 °C getrocknet, um Oberflächenionen zu entfernen. Alle anderen Chemikalien waren analysenrein und wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. in China ohne weitere Behandlung vor der Verwendung bezogen.

Zuerst 3,5 g CoCl₂ ·6H₂ O und 0,9 g CO(NH₂ .) )₂ wurden in 100 ml entionisiertem Wasser unter magnetischem Rühren gelöst, das 30 Minuten dauerte, bis der Feststoff vollständig dispergiert und gelöst war. Die erhaltene homogene Lösung wurde dann in einen Edelstahlautoklaven mit mehreren sauberen Nickelschäumen überführt, die mit Edelstahlklammern befestigt waren (die Qualität des Nickelschaums wurde im Voraus gemessen), wobei sichergestellt wurde, dass die Nickelschäume vollständig eingetaucht waren, und bei 120 °C mit eine thermische Reaktion von 20 h. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Nickelschäume herausgeholt und mit entionisiertem Wasser gewaschen, um an der Oberfläche anhaftende Verunreinigungen zu entfernen. Schließlich wurden die Proben im Vakuum ausgewählt und zur Verwendung 10  h in einem Ofen getrocknet.

Materialcharakterisierungen

Die Strukturen und Morphologien der Produkte wurden mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (SEM MIRA3 TESCA) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM FEI Tecnai) analysiert. Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem SIEMENSD500-Diffraktometer mit Cu Kα-Strahlung (λ = 0,15056 nm) aufgenommen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde auf ESCALAB 250 mit Al Kα-Strahlung durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung und die chemischen Valenzzustände der Proben zu untersuchen. N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen wurden mit einem ASAP 2020-Instrument bei 77 K erhalten. Die BET- bzw. QSDFT-Methoden wurden verwendet, um die spezifischen Oberflächen und die Porengrößenverteilungen der Materialien zu bestimmen.

Elektrochemische Messungen

Die Co-ClNWs(NiE)-Elektrode wurde unter einem Druck von 8 MPa mit einer geometrischen Fläche, Massenbelastung und einer Dicke von 1 cm ^–2 . behandelt , 3 mg und 0,25 mm. bzw. Um das elektrochemische Verhalten der (Co-ClNWs(NiE)) zu charakterisieren, wurde die elektrochemische Workstation CHI660E (Chenhua, Shanghai) in einer elektrochemischen Zelle mit drei Elektroden mit einer Pt-Gegenelektrode und einer Hg/HgO-Referenzelektrode in 6 M KOH-Lösung verwendet . Während des Tests wurden zyklische Voltammetrie (CV), galvanostatische Ladungs- und Entladungsmessungen (GCD) beobachtet. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde getestet, indem eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 5 mV in einem Frequenzbereich von 0,01 Hz bis 100 kHz bei Leerlaufpotential angelegt wurde. Die im gleichen Experiment erhaltenen Produkte, jedoch ohne Wachstum auf Nickelschaum, wurden auch gesammelt, um die Arbeitselektrodenplatten (Co-ClNWs(E)) zu erhalten, die durch das Polytetrafluorethylen (PTFE)-Klebeverfahren hergestellt wurden. Die spezifische Kapazität der Proben wurde nach Gleichung (1) berechnet:

wobei C ist die spezifische Kapazität (F/g), I ist der Strom (A), Δt ist die Entladezeit (s), ΔV das Potentialfenster (V) ist und m ist die Masse der elektroaktiven Elektrode (g).

Darüber hinaus wurde ein asymmetrischer Superkondensator mit der Co-ClNWs(NiE)-Elektrode (positive Elektrode) und Aktivkohle (AC, negative Elektrode) in einer Zwei-Elektroden-Konfiguration getestet. Das optimale Massenverhältnis für positive Elektrode zu negativer Elektrode wurde nach der folgenden Gleichung berechnet:

wo m bedeutet die Masse der aktiven Materialien, C die gravimetrische spezifische Kapazität darstellt und V ist das Potenzialfenster (in der Konfiguration mit drei Elektroden). Um die elektrochemischen Leistungen zu erhalten, wurden die spezifische Kapazität, die spezifische Energiedichte und die spezifische Leistungsdichte der Zelle entsprechend berechnet nach:

wo ich (A) zeigt den Lade-/Entladestrom, m (g) stellt die gesamte aktive Masse der beiden Elektroden dar, Δt (s) bedeutet die Entladezeit, ΔU (V) ist das potentielle Fenster und C _c (F g ⁻¹ ), E _c (W h kg ⁻¹ ) und P _c (W kg ⁻¹ ) sind die spezifische Kapazität, Energiedichte bzw. Leistungsdichte der Zelle.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung der Co-ClNWs(NiE)

Die REM-Bilder in Abb. 1 zeigen die Morphologie der Co-ClNWs wie hergestellt auf dem Nickelschaum. In Abb. 1a können wir deutlich erkennen, dass das Nickelschaumnetz selbst eine mehrschichtige Struktur hat. Das durch die dreidimensionale Struktur des Nickelschaums gebildete Elektrodenband ist dem des Schwamms sehr ähnlich und bildet ein natürliches Gerüst für das Materialwachstum [26]. Die Abbildung zeigt, dass das Material fest mit dem Nickelschaum bedeckt ist. Die Vergrößerung des Bildes ist in Abb. 1b dargestellt, wobei wir festgestellt haben, dass die nadelförmigen Materialien versetzt sind, was zeigt, dass die Wachstumsstruktur keine Kompression der Raumstruktur verursacht, sondern eine natürliche dreidimensionale Raumlücke bildet. Diese charakteristische Struktur kann mehr Wege für das Einströmen und die Reaktion des Elektrolyten bieten, was für das Elektrodenmaterial in gutem Kontakt mit dem Elektrolyten von Vorteil ist [27]. In Abb. 1c sehen wir das auf der Oberfläche des Nickelschaums gewachsene Material und stellen fest, dass die Materialien wie die blühenden Blumen miteinander verbunden sind, was für einen schnellen Elektronentransport leitfähig ist, wodurch die Geschwindigkeitsleistung verbessert und der Energieverlust reduziert wird. Die Vergrößerung in Abb. 1d zeigt die Oberfläche des Nickelschaums mit dem Materialskelett durch hydrothermale Bildung, und sie zeigen eine verschlungene Struktur einer geordneten Verbindung, die ein engmaschiges leitfähiges Netzwerk darstellt. Bekanntlich verursacht die mit PTFE-Klebeverfahren hergestellte Elektrode Probleme wie eine ungleichmäßige Beschichtung und weist nicht die natürliche räumliche Struktur auf, was leicht zu einer drastischen Reduzierung des verfügbaren Platzes und der spezifischen Oberfläche führt, die Nutzung von experimentellen Materialien und führt letztendlich zu signifikanten Leistungsunterschieden [28]. Bezogen auf diese Elektrode besteht daher kein Zweifel, dass die Struktur von Co-ClNWs(NiE) den Vorteil hat, die Übertragungsstrecke von Elektronen und Ionen zu verkürzen, so dass die Leitfähigkeit des Materials stark verbessert wird und eine gute Einbettung für elektrochemischer Test [29].

a Schichtaufbau aus Nickelschaum (die Abbildung zeigt das am Nickelschaum befestigte Material). b Das Aussehen des Materials wird bei starker Vergrößerung beobachtet. c Die Morphologie der monomeren Blüten. d Auf der Oberfläche des geschäumten Nickels gebildetes Materialskelett

Um die Überlegenheit der Co-ClNWs(NiE)-Elektrode weiter zu untersuchen, wird nach Abschluss des elektrochemischen Tests ein SEM-Test durchgeführt. Wie aus Fig. 2a ersichtlich, ist der Nickelschaum nach der Extrusionsbehandlung immer noch hierarchisch und die Oberfläche des Nickelschaums ist eng mit dem Material bedeckt. Wie wir wissen, werden Vorsprünge im Mikro-/Nanometerbereich auf handelsüblichem Nickelschaum (Stromkollektor) hergestellt, der seine aktiven Zentren verstärken kann [30]. Eine größere Oberfläche des Stromkollektors bedeutet mehr Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und dem Aktivmaterial, was den Transport von Elektronen und Ionen bei elektrochemischen Reaktionen verstärken kann. Eine gute Leitfähigkeit kann bei hohen Stromdichten eine hervorragende Ratenfähigkeit der Kapazität gewährleisten, so dass die schlechte Leitfähigkeit des Co-basierten Verbundmaterials stark verstärkt wird, was dadurch bestätigt wird, dass viel mehr nadelförmige Nanodrähte in die Zwischenräume von Nickelschaum bei hohen eingebettet sind Vergrößerung [31]. In Abb. 2c, d zeigt das vergrößerte Bild, dass die Nanodrähte eng auf dem auf dem Nickelschaum gebildeten Gerüst angeordnet sind, sodass der Substratraum vollständig genutzt wird, um die aktiven Materialien als Speicherenergie zu nutzen. Dies ist ein struktureller Vorteil, den Co-ClNWs(E) nicht besitzen, die durch das PTFE-Klebeverfahren hergestellt wurden. Die Co-ClNWs(NiE)-Elektrodenvorbereitungsmethode bietet einen nützlichen und praktikablen Ansatz, der die Leistung des Materials vollständig stimulieren kann.

a REM-Aufnahme der getesteten Co-ClNWs(NiE)-Elektrode. b REM-Aufnahme des in die Nickelschaum-Zwischenschichten eingebetteten Materials. c , d SEM-Bilder von eng ausgerichtetem Wachstum auf dem Nickelschaumskelett unter starker Vergrößerung

Die TEM-Bilder von Co-ClNWs-Nanodrähten (aus Nickelschaumprodukten abgeschabt) sind in Abb. 3 gezeigt. Das Bild in Abb. 3a zeigt, dass das extrahierte Material gut nadelförmig bleibt, das zu einer Einkristallstruktur gehört, wie durch die Elektronenbeugung gezeigt (SAED)-Muster der ausgewählten Nanodrähte in Abb. 3b. Die in Fig. 3c gezeigten nadelförmigen Nanodrähte werden etwa einige Mikrometer lang mit einem Durchmesser von etwa zehn Nanometern, was auf ein großes Seitenverhältnis hinweist. Aus dem stark vergrößerten Erscheinungsbild von Co-ClNWs in Abb. 3d und Abb. 3e, Es zeigt sich, dass die Oberfläche des Materials eng mit dem Monomer ausgerichtet ist, dessen Durchmesser etwa 3–10 nm beträgt. Die tiefe Diffusion von Ionen in kristallinen Materialien wurde immer als komplexes Thema angesehen, da Elektrolytionen nicht durch das Material diffundieren können, wenn die Dicke des kristallinen Materials mehr als 30 nm beträgt. In unserem Fall ist also die Co-ClNWs-Struktur der Diffusion des Elektrolyten förderlich, da die Größe des Materialmonomers etwa 3–10 nm beträgt, was die Diffusionsstrecke des Elektrolyten verkürzt und die Reaktionsweglänge und den Widerstand verringert [ 32]. Dieser Faktor erlaubt hauptsächlich eine effektive Nutzung des gesamten Materials in der Faradayschen Redoxreaktion. Darüber hinaus lässt das Material durch diese Anordnungen ein auffälliges mesoporöses Erscheinungsbild aufweisen, was die Einbindung von Elektrolyt in die Materialien stark erhöhen kann, da die Elektrolytionen nicht in die ultrafeinen Poren mit Porendurchmessern unter 2 nm eindringen können, obwohl diese Poren einer höheren Spezifität entsprechen können Oberfläche. Deutlich aus Abb. 3d ersichtlich, ist die Porengröße des Materials größer als 2 nm, was zur Kategorie der Mesoporen gehört und daher für den Elektrolyttransport leitfähig ist [7]. Wie in Abb. 3f zu sehen ist, wird der Abstand der Gitterstreifen mit ca. 0,508 nm berechnet, was 17,4° indiziert zum XRD-Peak unten gemäß der Standardkarte von Co(CO_{3 )0,35 Kl0,20 (OH)1,10 1,74H2 O (JDPS38-0547).}

a TEM-Bilder von Co-ClNWs. b SEAD-Muster von Co-ClNWs. c –e TEM-Bilder von Co-ClNWs bei hoher Vergrößerung (zeigen die mesoporöse Oberflächenstruktur in (d ), sind die Partikel kompakt angeordnet, um Co-ClNWs in (e )). f HRTEM-Bilder der Co-ClNWs

Abbildung 4a zeigt das XRD-Muster des Materials, bei dem alle Peaks gut mit der Standardkarte (JCPDS 38-0547) übereinstimmen, was bestätigt, dass die stöchiometrische Zusammensetzung des Nanodrahts Co(CO₃ . ist )_0,35 Kl_0,20 (OH)_1,10 . Aus den XPS-Scanspektren in Abb. 4b finden wir, dass die Gehalte an Co, O, Cl und C fast alle Elemente im Material ausmachen, was die hohe Reinheit demonstriert. Das Co2p-Kern-Röntgenphotoelektronenspektroskopie-(XPS)-Spektrum (Abb. 4c) der Co-ClNWs zeigt zwei Hauptpeaks bei Bindungsenergien von 780,84 und 797,04 eV mit einem Spinenergieabstand von ca. 16 eV. Diese beiden Peaks entsprechen Co2p_3/2 und Co2p_1/2 bzw. und werden von zwei offensichtlichen Satellitenpeaks begleitet. Der ionische Zustand des Chlors kann auch durch das Vorhandensein von Spin-Bahn-Dubletts bei 199,60 und 198,10 eV abgeleitet werden, die als Cl2p_1/2 . identifiziert werden können und Cl2p_3/2 entsprechende Signale (Abb. 4d).

a XRD-Muster, b XPS-Umfragespektrum, c hohe Auflösung des Co 2p-Spektrums, d hochauflösendes Cl 2p-Spektrum, e Raman-Spektrum und f QSDFT-Porengrößenverteilung (Einschub:N2-Absorptions-/Desorptionsisothermen) von Co-ClNWs

Um die Zusammensetzung des so synthetisierten Co-ClNWs(NiE) weiter zu erhalten, wird das Raman-Spektrum davon im Wellenzahlbereich von 0 bis 2000 cm ⁻¹ . dargestellt und in Abb. 4e gezeigt. Vier Raman-Banden für Co-ClNWs(NiE) beobachtet bei etwa 95, 813, 1045 und 1554 cm ⁻¹ kann dem Biegemodus für Cl-Co-Cl, Co-O-H-Deformationsmodus, -OH-Deformationsmodus und ν₃ . zugeordnet werden (CO₃ ) ²⁻ antisymmetrischer Dehnungsmodus, was darauf hindeutet, dass die Hauptkomponenten mit den obigen Tests übereinstimmen [33,34,35]. Die Nebenfigur in Abb. 4f zeigt die N₂ Adsorptions-/Desorptionsisotherme von Co-ClNWs(NiE), in der eine Typ-IV-Isotherme gekoppelt mit einer offensichtlichen H3-Hystereseschleife beobachtet werden kann, was die Existenz einer reichlichen Meso- und Makroporenverteilung auf den Co-ClNWs(NiE) zeigt, in Übereinstimmung mit dem Ergebnis von TEM und der Porengrößenverteilung in Abb. 4f. Diese poröse Struktur in Form von miteinander verbundenen Meso- und Makroporen ist leitfähig, um kontinuierliche Kanäle für eine schnelle und ungehinderte Ionendiffusion bereitzustellen und somit eine gute Zugänglichkeit von Ionen an den aktiven Zentren zu gewährleisten. Darüber hinaus gibt es in Co-ClNWs (NiE) fast keine Mikroporen, da fast keine N2-Volumenabsorption unter den Porengrößen zwischen 0 und 2 nm vorliegt, was für die niedrige spezifische Oberfläche (ca. 5 m ^{2 .) verantwortlich ist} /g) aber für hohe Kristallinität mit reichen aktiven Zentren, bestätigt durch XRD oben.

Elektrochemische Leistung der Co-ClNWs(E)-Elektrode

Das elektrochemische Verhalten von Co-ClNWs(E) wird durch CV und GCD in einer Drei-Elektroden-Zelle mit einer Hg/HgO-Referenzelektrode unter Verwendung von 6 M KOH als wässrigem Elektrolyt untersucht. Abbildung 5a entspricht der CV-Kurve, die für Co-ClNWs(E) bei Sweep-Raten von 2, 5, 10 und 20 mv/s erhalten wurde, wobei alle CV-Kurven voll sind und einen symmetrischen Redoxpeak aufweisen. Mit zunehmender Abtastrate verschiebt sich die Peakposition der Kurve, was darauf hindeutet, dass die Kapazitätsleistung von den Reaktionen des Aktivitätsmaterials herrührt und das Nickelschaumnetzwerk nicht an den relevanten chemischen Reaktionen beteiligt ist. Die Lade- und Entladekurven von Co-ClNWs(E) bei unterschiedlichen Stromdichten sind in Abb. 5b dargestellt, wobei die typischen Eigenschaften gut mit den CV-Kurven übereinstimmen. Die spezifische Kapazität des Elektrodenmaterials erreicht 975, 950, 900, 825 und 640  F/g bei einer Stromdichte von 1, 2, 3, 5 bzw. 8 A/g. Trotz der besseren kapazitiven Eigenschaften gibt es einen deutlichen signifikanten Unterschied zu Co-ClNWs (NiE), der aus Abb. 5c ersichtlich ist. Abbildung 5d zeigt das EIS-Spektrum der Co-ClNWs(E)-Elektrode, und es kann erhalten werden, dass der vom Durchmesser des Halbkreises reflektierte Faradaysche Widerstand etwa 2 Ω beträgt. Ein solch großer Widerstand führt unweigerlich zu einer starken Behinderung von Elektronen während des Ladungsspeicherungsprozesses. In Abb. 5e führen wir einen CV-Zyklustest an Co-ClNWs(E) durch und stellen fest, dass das Material immer noch in der Lage ist, eine gute und vollständige Redoxkurve zu zeigen, was die Fähigkeit des Materials zeigt, seine Eigenschaften nach 500 Testzyklen beizubehalten. Daher stellen wir nach Untersuchung des elektrochemischen Verhaltens von Co-ClNWs(E) fest, dass Co-ClNWs das Potenzial haben, ausgezeichnete kapazitive Materialien zu werden, und eine bessere Leistung durch die Erhöhung der Auftragsrate aktiver Zentren wird gezeigt, wenn man nach einem einfachen und effektiver Weg, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

a CV-Kurven von Co-ClNWs(E) bei verschiedenen Abtastraten. b Galvanostatische Ladungs- und Entladungskurven von Co-ClNWs(NiE) bei verschiedenen Stromdichten. c Vergleich der Entladungskurven zweier Elektroden. d Die elektrochemischen Impedanzspektren von Co-ClNWs(E). e Vergleich der CV-Kurven nach 500 Zyklen von Co-ClNWs(E)

Elektrochemische Leistung der Co-ClNWs(NiE)-Elektrode

Um die Optimierung der Co-ClNWs(E)-Elektrode zu untersuchen, werden CV-Kurven von Co-ClNWs(NiE) mit derselben Drei-Elektroden-Konfiguration getestet und in Abb. 6a gezeigt. Es ist zu beobachten, dass unabhängig von den Scanraten von 2, 5, 10 und 20 mV/s eine vollständige und saubere Kurve angezeigt wird. Darüber hinaus weist jede Kurve eine gute Redoxsymmetrie auf, was vollständig zeigt, dass das Material hervorragende Pseudokapazitätseigenschaften aufweist [36]. Mit zunehmender Scanrate verringert sich die effektive Nutzungsfläche des Materials mit einer leichten Verschiebung des Peaks, was zu einer Abnahme der elektrochemischen Leistung aufgrund des Widerstands und der Polarisation des Elektrodenmaterials führt [37, 38]. Bei höheren Scanraten können wir schlussfolgern, dass Co-ClNWs(NiE) eine hohe Ratenfähigkeit besitzt, da die Redoxpeaks der Materialspezies immer noch offensichtlich sind. Darüber hinaus nimmt der Strom mit zunehmender Abtastrate zu, was seine Fähigkeit bestätigt, Ionen und Elektronen effizienter zu leiten. Der Hauptgrund für die Redoxpeaks wird hauptsächlich auf den Ladungstransfer zwischen Co ^{2 +} . zurückgeführt /Co ^{3 +} Ionen und das OH ⁻ Ionen im Elektrolyten, die an der Reaktion beteiligt sind [39]. Nach Durchsicht der Literatur [40] entsprechen die Redoxpeaks den folgenden Reaktionen:

a CV-Kurven von Co-Cl(NiE) bei verschiedenen Scanraten. b Galvanostatische Lade- und Entladekurve von Co-ClNWs(NiE) bei 1 A/g (Einschub:GCD-Kurve von Nickelschaum mit dem gleichen Strom von Co-ClNWs(NiE) bei 1A/g). c GCD-Kurven von Co-ClNWs(NiE) bei verschiedenen Stromdichten. d Lange zyklische Leistung und Kapazitätserhaltung von Co-ClNWs(NiE) bei Stromdichten von 8 A/g. e Mittlere spezifische Kapazität bei verschiedenen Entladestromdichten. f EIS-Spektren von Co-ClNWs(NiE) vor und nach elektrochemischem Test im Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 mHz. g CV-Kurven von Co-ClNWs(NiE) und AC bei einer Abtastrate von 20 mV/s. h CV-Kurven des so hergestellten Co-ClNWs(NiE)//AC-ASC-Geräts bei verschiedenen Scanraten und die entsprechenden GCD-Kurven (i ) mit unterschiedlichen Stromdichten

Abbildung 6b zeigt die GCD-Kurve des Materials bei einer Stromdichte von 1 A/g. Es zeigt sich, dass die Form der GCD-Kurve ein deutliches Plateau aufweist, was beweist, dass das Material eine den CV-Kurven entsprechende Redoxreaktion durchläuft. Es ist zu beobachten, dass die Spannung durch den Innenwiderstand des Materials im Teil der Entladungskurve sprunghaft abfällt [41]. Darüber hinaus können wir auch aus Abb. 6b und Abb. 5c ableiten, dass die Kapazitäten der optimalen Co-ClNWs(NiE)-Probe höher sind als die der Zugabe eines einzelnen Co-ClNWs(E) und Nickelschaums, was zeigt, dass Die Kombination von Co-ClNWs und Nickelschaum durch direktes Wachstum hat die Förderungsbeiträge zur Verbesserung der Ladungsspeicherfähigkeit der Elektrode, was bedeutet, dass Nickelschaum nicht nur selbst Kapazität bereitstellen kann, sondern auch als Rückgrat fungieren kann, um einen guten elektrischen Kontakt und mechanischen Kontakt zu gewährleisten Adhäsion und erhöhen daher die Nutzungsrate von Co-ClNWs, wie offensichtlich in den REM-Abbildungen in Abb. 1 zu sehen ist. Abbildung 6c zeigt die GCD-Kurven bei verschiedenen Stromdichten mit einer spezifischen Kapazität von 2150 F/g bei einer Stromdichte von 1 A /g (höher als in vielen neueren veröffentlichten Arbeiten in Tabelle 1), entsprechend einer ionenspezifischen Kapazität von 4996 F/g Co, die eine ausgezeichnete Ladungsspeicherfähigkeit für Co-ClNWs(NiE) zeigt [42]. Darüber hinaus werden die Ratenleistung und die Langzeitstabilität der Elektrode entsprechend den spezifischen Kapazitäten der Co-ClNWs(NiE)-Elektrode bei unterschiedlichen Stromdichten erhalten und sind in Abb. 6e angegeben. Obwohl die Leistung des Kondensators abnimmt, wird die Hochleistungscharakteristik immer noch gezeigt. Die spezifischen Kapazitäten der Kondensatoren werden bei 1985, 1872, 1599 und 944  F/g bei Stromdichten von 2, 3, 5 bzw. 8 A/g gehalten. Die Entladekapazität wird in Abb. 6d für mehrere Zyklen getestet, um die Stabilität von Co-ClNWs(NiE) zu testen, von denen 94,3 % der spezifischen Kapazität beim Anfangszyklus nach 500 -Zyklen aufrechterhalten werden können. In unserem weiteren Test wird jedoch die Abtrennung des Aktivmaterials von der Elektrode über 500 Zyklen beobachtet, die aus der Strukturänderung der an der Faradayschen Redoxreaktion teilnehmenden Bulkmaterialien abgeleitet werden kann, was zu einer ungenauen Berechnung der spezifischen Kapazität basierend auf die Masse von Co-ClNWs bei einer gegebenen Stromdichte. Um solch ein verworrenes Problem aufzudecken, wird unsere laufende Arbeit daher die Verfolgung der Reversibilität der elektrochemischen Belastungen, die während des Radfahrens aufgetreten sind, umfassen. Wie in Abb. 6f gezeigt, bestehen die elektrochemischen Impedanzspektren des Materials vor (MBT) und nach (MAT) dem Test aus einem Halbkreis in der ersten Hälfte und einem Schrägstrich in der zweiten Hälfte. Es ist allgemein anerkannt, dass der reelle Achsenabschnitt bei hoher Frequenz den Elektrolytwiderstand und den Übergangswiderstand zwischen dem Aktivmaterial und dem Stromkollektor darstellt [43]. Die Gerade im niederfrequenten Bereich wird dem Ionendiffusionswiderstand zugeschrieben [30]. Es ist ersichtlich, dass MBT bei einer hohen Frequenz einen kleineren Achsenabschnittswert hat als MAT, was bedeutet, dass MBT einen relativ kleineren äquivalenten Serienwiderstand hat. Außerdem ist zu beobachten, dass die Gerade für MBT eine höhere Steigung aufweist als die für MAT, was ebenfalls darauf hindeutet, dass MBT eine bessere Ionendiffusion aufweisen kann. Die Steigung der beiden im Niederfrequenzbereich neigt sich allmählich in Richtung y -Achse, was darauf hinweist, dass die Elektrolytionen schnell in die Porenstruktur des Materials diffundieren können. Der geschwindigkeitssteuernde Schritt der Reaktion kann gemäß der elektrochemischen Reaktion auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials bestimmt werden, so dass das Elektrodenmaterial gute elektrische Eigenschaften hat.

Um die Ladungsspeicherfähigkeit von Co-ClNWs(NiE) in der Praxis weiter zu bewerten, wurde ein asymmetrischer Superkondensator (ASC) unter Verwendung von Co-ClNWs(NiE) bzw. AC als positive bzw. negative Elektrode hergestellt. Abbildung 6g zeigt die CV-Kurven von Co-ClNWs(NiE) und AC, gemessen in einem Dreielektrodensystem mit dem Potenzialfenster von AC von − 1 bis 0 V und Co-ClNWs(NiE) von 0 bis 0,6 V. Daher ist es Es wird erwartet, dass die ASC im Herstellungszustand bis 1,6 V bearbeitet werden kann. Wie in Abb. 6h gezeigt, zeigen die CV-Kurven von ASC bei verschiedenen Abtastraten ein Paar scheinbarer Peaks, die die typischen faradayschen Eigenschaften demonstrieren [44]. Additionally, a specific capacitance of 117.5 F/g can be obtained from the GCD curve at 1 A/g in Fig. 6i, in accordance with a high energy density of 41.8 W h/kg at the power density of 1280.7 W/kg, higher than many recently publicized works [45, 46]. When the current density is enlarged to 8 A/g, the ACS can still exhibited an energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg. This result clearly suggests that the ACS with the Co-ClNWs(NiE) as positive electrode exhibits a high energy density without sacrificing the high power density though a bulk redox reaction is involved, reflecting a possible method to keep a high energy storage capability under fast charge and discharge processes.

Conclusion

In summary, a Co-ClNWs(NiE) electrode is fabricated via a facile one-step hydrothermal method. The active material Co-ClNWs is deposited on commercial nickel foam to form a free-standing supercapacitor electrode. After the optimization of the structure of the Co-ClNWs(E) electrode prepared by PTFE sticking method, the Co-ClNWs(NiE) electrode displays a high specific capacitance of 2150 F/g under the current density of 1 A/g, with a large energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg even when the current density is up to 8 A/g. These results reveal that Co(CO₃ )_0.35 Cl_{0 .20} (OH)_1.10 1.74H₂ O NWs are very promising candidates for the next generation of energy storage devices. On this basis, the structural advantages of nickel foam make the active materials fully reflect the capacitive properties. The electrode design concept described in this paper makes it possible to develop high-energy supercapacitors.

Abkürzungen

ASC:

Asymmetric supercapacitor

Co-ClNWs:

Chlorine-doped carbonated cobalt hydroxide nanowires

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWs stuck on the nickel foam

Co-ClNWs(NiE):

Co-ClNWs grown on the nickel foam

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

EDLCs:

Electrical double-layered capacitors

GCD:

Galvanostatic charge and discharge measurements

MBT and MAT:

The electrochemical impedance spectra of Co-ClNWs(NiE) before and after cycling