基于表面嵌入雙金屬氧化物納米顆粒負載的碳納米纖維和活性炭的高性能全固態混合超級電

DOI：10.1016/j.electacta.2019.135494

通過利用靜電紡絲工藝的便利優勢，研究者將具有可調化學計量比的NiCo基雙金屬氧化物納米顆粒裝飾在碳納米纖維（CNFs）上，隨后將其作為電極組件進行了熱處理。纖維網絡上的雙金屬負載密度約為32 wt%，Ni:Co的化學計量比有所變化。高Ni負載（Ni₄₀:Co₂₀）納米纖維電極在電流密度為1 A g^-1時的比容量為80.2 C g^-1，當Co負載量增加到Ni₂₀:Co₄₀時，比容量增加到165.6 C g^-1。甚至在10 A g^-1 下循環后，嵌入NiCo雙金屬氧化物基電極的CNFs仍顯示84.3％的容量保持率。富鈷電極組件在5 A g^-1下經過3000次循環后，具有出色的循環穩定性和94.9％的容量保持率，并且具有出色的速率性能和較低的內部電阻。C-NiCoO 納米纖維//活性炭裝置的全固態不對稱超級電容器在0至1.6 V的電勢窗口中的電流密度為1 A g^-1時，電池的比電容為191.4 F g^-1，最大能量密度為67.9 W h kg^-1。由于在碳纖維導電表面上均勻的單分散納米顆粒網絡和雙金屬位點的有效可逆氧化還原反應能力，CNFs上的表面嵌入Ni_xCo_yO₄納米顆粒表現出優異的電化學性能。雙金屬納米顆粒的薄層石墨特征改善了它們的導電性并防止了納米顆粒的聚集，從而促進了循環穩定性并避免了從碳纖維中的浸出。

圖1雙金屬NiCoO負載碳納米纖維的結構、組成和表面功能特性：（a）XRD圖譜，（b）TGA圖譜，（c）不同Ni:Co比的C-NiCoO納米纖維的FTIR譜；（d）C-NiCoO 納米纖維的拉曼光譜，（e）由拉曼光譜得出的ID/IG比值，以及（f）C-NiCoO 納米纖維和碳納米纖維的BET分析結果。

圖2用不同的Ni:Co化學計量比制備的C-NiCoO 納米纖維的HRSEM和TEM顯微照片：（a，b）C-NiCoO（40:20），（c，d）C-NiCoO（30:30），以及（e，f）C-NiCoO（20:40）納米纖維。（g–i）C-NiCoO（20:40）納米纖維各自的HRTEM圖像，以及（j）碳、氮、氧、鎳和鈷的相應元素映射圖像；（k）相應的EDAX頻譜。（h）中的插圖顯示了C-NiCoO 納米纖維的相應SAED模式。

圖3不同化學計量比的C-NiCoO 納米纖維的（a）XPS全掃描光譜和（b）C 1s，（c）N 1s，（d）Ni 2p，（e）Co 2p和（f）O 1s光譜。

圖4具有不同組成的C-NiCoO 納米纖維電極的比較：（a）分層C-NiCoO 納米纖維在50 mV s^-1的掃描速率下的CV曲線；（b）在不同掃描速率下C-NiCoO（20:40）納米纖維的CV曲線； （c）以不同的掃描速率獲得Randles-Sevcik圖；（d）在不同電流密度下，分層C-NiCoO（20:40）奈米纖維的GCD曲線；（e）不同電流密度下合成電極材料的比容量；（f）在5 A g^-1的電流密度下進行3000次恒電流充放電循環后的容量保持。

圖5（a）掃描速度為50 mV s^-1，電流密度為1 A g^-1時，分別用碳納米纖維測定的不同重量百分比的NiCoO₂（20:40）的CV和GCD曲線；（c）電流密度為1、2、3、4、5、10和20 A g^-1時，不同負載密度的NiCoO在碳納米纖維上的比容量；（d）C-NiCoO 納米纖維電極的奈奎斯特圖。

圖6（a）示意圖顯示在2 M KOH/PVA電解質中使用C-NiCoO納米纖維/Ni泡沫和AC/Ni泡沫HSC電極制備全固態HSC裝置。（b）C-NiCoO納米纖維和AC的循環伏安圖，掃描速率為50mV s^-1；（c）在不同電勢下運行的C-NiCoO（20:40）納米纖維//AC-HSC裝置的循環伏安圖和（d）GCD曲線；（e）在0–1.6 V的固定電勢下，C-NiCoO（20:40）納米纖維//AC-HSC裝置在不同掃描速率和電流密度下的循環伏安圖和（f）GCD曲線；（g）計算出的HSC裝置的電池比電容和（h）循環穩定性；（i）循環測試前后C-NiCoO（20:40）納米纖維//AC-HSC裝置的EIS光譜。

圖7（a）研究工作中和文獻中報道的全固態HSC裝置的Ragone圖。（b）由兩個串聯的全固態不對稱超級電容器裝置照亮的紅色發光二極管（LED）的數碼照片圖像。（c）以不同角度折疊的C-NiCoO（20:40）納米纖維//AC全固態ACS裝置的CV曲線。（d）在正常和彎曲狀態下全固態HSC裝置的數碼照片。