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赝电容储钠: TiO2纳米笼/石墨烯复合物

近年来钠离子电容器逐渐成为电化学电容器领域研究的新热点,是一种混合型电化学电容器。相对于双电层电容器和钠离子电池,钠离子电容器综合了两者的优势性能,能更好的同时满足高能量、高密度的设备要求。目前,最大的挑战是寻找高性能的电极材料。

近期,美国加利福尼亚大学Yunfeng Lu等人通过微波法制备出介孔单晶状TiO2纳米笼/石墨烯复合材料(MWTOG),作为钠离子电容器电极,表现出超快赝电容储钠能力,高可逆容量性能和零容量衰减等优点。此成果发表在国际期刊ACS Nano上(影响因子:13.334)。

赝电容储钠: TiO2纳米笼/石墨烯复合物

图1 (a)在电流密度5C下,MWTOG电极的恒电流充放电曲线图;(b)MWTOGMWTO电极的倍率性能图;(c)在电流密度5C和10C下,MWTOG电极的循环性能图;(d)在电流密度10C下,第500,,5000,10000,和15000次循环的充放电曲线图。

首先,把MWTOG电极应用在半电池中测试其电化学性能。在电流密度5C下,循环7000次后,MWTOG-10电极(10指的是石墨烯的重量百分比)可逆容量为162 mAh/g;在电流浓密度10C下,循环18000次后,比容量为126 mAh/g,容量保持率接近100%,体现优越的长期循环稳定性。在电流密度0.2,0.5,1,2,5,10和20 C下,MWTOG-10电极比容量分别为268,189,167,152,125,111和104 mAh/g,体现了良好的倍率性能。

赝电容储钠: TiO2纳米笼/石墨烯复合物

图2 (a)MWTOG和 AC在半电池(上面)和钠离子电容器全电池(底部)中的CV图;(b)0.2C-10C电流密度下,恒电流充放电曲线图;(c)与其他文献钠离子电容器Regone曲线对比图;(d)电流密度10C下,钠离子电容器的循环性能图。

其次,为进一步研究MWTOG电极的电化学性能,将其组装在钠离子电容器全电池中。在功率密度为56.3,1357W/kg时,能量密度分别为64.2,25.8Wh/kg。在电流密度10C下,循环10000次,容量保持率接近90%,体现了超长寿命性能。

赝电容储钠: TiO2纳米笼/石墨烯复合物

图3 (a)MWTOG的原位XRD图(a-1),第一圈放电曲线(a-2),第一圈充电曲线(a-3);(b-c)15000循环后,MWTOG的TEM和HRTEM图;(d)CV图;(e)阳极和阴极峰值电流的b值分析;(f)容量与v^1/2的关系图。

最后,作者解释了MWTOG电极拥有如此良好电化学性能的原因。其中最重要的原因是MWTOG电极具有超强赝电容储钠能力,允许超快摄取和释放的钠离子。同时复合材料的优越性也是重要因素:(1)介孔结构和石墨烯基质加快电子和离子的传输;(2)纳米笼结构的MWTOG能够使表面/近表面电荷存储最大化,并使钠离子扩散距离最小化,同时保持结构完整性;(3)超小尺寸的初级纳米晶体在超长循环时诱导赝电容性的钠离子脱嵌而不降解活性物质。


材料制备过程:

将所需量石墨烯放入20mL叔丁醇中,在铁氟龙绝缘套管中搅拌,探针超声30min。接着,一滴一滴地加入1mLTiOSO4,转至微波反应器中,110℃下反应3h。黑色产物经洗涤、干燥等步骤后,得到MWTOG复合材料。制备MWTO的过程与上面一致,只是没添加石墨烯。

 

参考文献:

Zaiyuan Le, FangLiu, Ping Nie, Xinru Li, Xiaoyan Liu, Zhenfeng Bian, Gen Chen,
Hao Bin Wu, and Yunfeng Lu. Pseudocapacitive Sodium Storage in Mesoporous Single-Crystal-like TiO2−Graphene Nanocomposite Enables High Performance Sodium-Ion Capacitors, ACS Nano (2017), DOI: 10.1021/acsnano.6b08332.


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