Chem. Eng. J.：基于Co3O4錨定多孔碳納米纖維紗線的全固態超級電容器

DOI:10.1016/j.cej.2020.128124

開發一種高效且具有高儲能和承重能力的全固態結構超級電容器，以減輕重量/重量限制應用中的重量/體積仍然是一項挑戰。僅僅依靠雙電層的單一機理以及承重和儲能要求之間的現有標準限制了碳基結構電極的整體性能。在本文中，研究者開發了一種超細Co3O4錨定高度多孔、中空N摻雜碳納米纖維紗線（Co-NCFY）作為高性能多功能結構電極，其具有優異的機械和電化學性能。該器件的設計得益于假電容和雙層儲能機制。Co-NCFY具有良好的電化學性能（在1 mV s-1下的電化學容量為713 F g-1，經8000次循環后在20 A g-1下具有高于92％的優異循環穩定性，在209 W kg-1的功率密度下其能量密度為45.4 Wh kg-1）和承重能力（強度和楊氏模量分別為87.4MPa和26.4GPa）。Co-NCFY的電化學和機械性能均優于最近報道的結構電極材料。這些吸引人的特性使Co-NCFY有望成為高效結構儲能設備的獨特結構電極材料。

圖1.Co-NCFY結構電極的制備示意圖。

圖2.a）P-CFY的低分辨率和a1-3）高分辨率SEM圖像。b）A-CFY的低分辨率和b1-3）高分辨率SEM圖像。c）Co-CFY的低分辨率和c1-3）高分辨率SEM圖像。d）CO-NCFY的低分辨率和d1-3）高分辨率SEM圖像。e）Co-CFY，f）Co-NCFY中碳（C），鈷（Co），氮（N），氧（O）的EDS映射結果。g）A-CFY和h）Co-NCFY具有不同放大倍率的TEM圖像。使用顏色編碼。藍色、黑色、紅色和綠色框分別分配給P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY。每個框代表一種類型的合成CFY。

圖3.a）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的拉曼光譜和b）全掃描XPS光譜。c）P-CFY，d）A-CFY，e）Co-CFY和f）Co-NCFY的C1s峰。g）Co-CFY和h）Co-NCFY的Co2p峰。i）P-CFY，j）A-CFY，k）Co-CFY和l）Co-NCFY的N1s峰。

圖4.a）掃描速率為100 mV s-1時，P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的CV曲線，b）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的比電容與掃描速率的關系圖，c）P-CFY、ACFY、Co-CFY和Co-NCFY在1 A g-1下的GCD曲線，d）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的Ragone圖。e）8250次循環后，Co-NCFY的電容保持率。插圖為在20 A g-1下的前四個循環和第8203-8206次循環。組裝的全固態結構超級電容器設備和由結構超級電容器設備供電的LED的示意圖。

圖5.（a）Co-CFY和（b）Co-NCFY的b值。當掃描速率大于25 mV s-1時，兩個樣本的b值都在0.9-1的范圍內。（c）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY超級電容器的奈奎斯特圖（插圖是等效電路）。（d）Co-NCFY的快速（藍色）和慢速動力學（紅色）過程的電容貢獻與掃描速率的關系。

圖6.從（b）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的真實應力-應變曲線中（a）提取的表觀強度、表觀模量和應變造成的損壞，（c）比電容-強度阿什比圖，用于比較文獻中報告的結構電極材料與獲得的Co-NCFY、Co-CFY和CFY的值,以及（d）CFY拉伸測試示意圖。