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中国石油大学吴明铂:NAC-1-Co3O4 NFs负极的制备及其在高能量密度锂离子电容器中的应用
2022/7/6 16:24:58 易丝帮

DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165726

 

锂离子电容器(LICs)是一种具有高能量密度、高功率输出和长循环寿命的先进储能系统。构建高性能LICs的关键是缓解法拉第负极和电容器型正极之间的动态失配。在此,研究者通过静电纺丝策略制备了氮掺杂无定形碳连接的分层多孔Co3O4纳米纤维(NAC-1-Co3O4 NFs),其中无定形碳可以减轻锂化/脱锂过程中Co3O4的体积变化,而分层多孔结构为快速电子转移和锂离子储存提供了有效的通道,并暴露了更多的活性位点。精细的结构使NAC-1-Co3O4 NFs具有卓越的额定容量和强大的循环耐久性。此外,还制备了用于正极的氮掺杂碳多面体(NPCP),其显示出优异的倍率性能和循环稳定性。因此,组装的NAC-1-Co3O4//NPCP LICs可实现296Wh/kg的高能量密度和11750W/kg的高输出。此外,LIC设备还显示出极好的循环寿命(在1A/g下循环10000次后的容量保持率为80%)。

 

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图1.(a)电纺纳米纤维膜的形态;(b-c)NAC-1-Co3O4 NFs的形态;(d-e)NAC-1-Co3O4 NFs的TEM图像;(f)NAC-1-Co3O4 NFs的HRTEM图像,以及(g)NAC-1-Co3O4 NFs中Co、O、N和C的元素映射。

 

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图2.(a)NAC-1-Co3O4 NFs和Co3O4 NFs的XRD图谱;(b-d)Co2p(b)、C1s(c)和N1s(d)的高分辨率XPS光谱;(e)NAC-1-Co3O4 NFs的N2吸附-解吸等温线;(f)NAC-1-Co3O4 NFs的孔径分布。

 

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图3.(a-c)NPCP正极的微观结构;(d)NPCP的N2吸附-解吸等温线;(e-f)NPCP中C1s(e)和N1s(f)的高分辨率XPS光谱。

 

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图4.(a)NAC-l-Co3O4 NFs在0.2mV/s扫描速率下的CV曲线(图示为第二和第三循环的放大CV曲线);(b)NAC-1-Co3O4 NFs在1A/g下的循环稳定性和相应的库仑效率;(c)NAC-1-Co3O4和Co3O4 NFs在不同电流密度下的比容量变化;(d)NAC-1-Co3O4 NFs在800次循环前后的EIS光谱;(e-f)NAC-1-Co3O4 NFs在不同扫描速率下的CV曲线和相应的b值分析;(g)NAC-1-Co3O4 NFs在1.6mV/s下的电容贡献;(h)NAC-1-Co3O4 NFs在不同扫描速率下的电容贡献率。

 

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图5.(a)NPCP正极在不同扫描速率下的CV图;(b)NPCP在不同电流密度下的GCD曲线;(c)NPCP正极的倍率性能;(d)NPCP正极在1.0A/g下的循环稳定性。

 

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图6.NAC-l-Co3O4//NPCP LIC的电化学表征:(a)LIC设备的示意图,(b)在2至10mV/s范围内的各种扫描速率下的CV曲线;(c,d)在0.1至5.0A/g范围内的不同电流密度下的GCD曲线;(e)LIC在不同电流密度下的倍率性能;(f)最佳NAC-1-Co3O4//NPCP LIC与其他报道的LICs的Ragone图比较;(g)最佳LIC(1:2)在1.0A/g时的循环稳定性。

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