设计NiSe/MnCo 2 O 4电极用于高性能POWER-SONIC蓄电池型超级电容器，并研究电解质离子尺寸对其储能性能的影响。
2026-06-09 19:35:45 点击： 次
混合超级电容器（HSCs）经过集成电池型和电容型电极，结合了这两种体系的关键优势。但是，离子和电子传输缓慢以及电池型资料结构不稳定等局限性，阻止了它们在高倍率储能和长时间耐久性方面的电化学功能。在此，我们报导了一种NiSe/MnCo 2 O 4 (NS/MCO)电池型电极作为负极的制备。虽然过渡金属氧化物、硫化物和硒化物（TMSe）具有相似的理化性质，但TMSe表现出更好的金属性质。硒离子具有可接近的能量轨迹，导致金属-硒键的共价特性与金属-氧键的离子特性存在明显差异，这种差异的结果是促进了电极中的电子转移（电子传导速度为1 × 10 −3 s m −1）。分级结构的NiSe纳米线与洋葱状MnCo 2 O 4空心球体为离子的传输提供了多种途径。此外，研讨了在水性Li 2 SO 4、Na 2 SO 4和KOH电解液中制备的该电极的电化学行为。与Na 2 SO 4和Li 2 SO 4比较，KOH电解液表现出更高的离子电导率，然后实现了更优异的电化学功能。一起，Na 2 SO 4电解液在离子电导率和倍率功能方面均优于Li 2 SO 4，这使得NS/MCO电极在Na 2 SO 4中比在Li 2 SO 4中具有更高的比电容。
图文摘要
为了满意现代社会对电子设备和电动汽车的必定需求，开发环保型储能体系至关重要。在各种储能解决方案中，Hybrid supercapacitors (HSCs) 因其相较于电池的优越地位（功率密度、高可逆性和倍率功能）而成为一个突出的研讨领域。但是，与锂离子电池比较，低能量密度阻止了 HSCs 的广泛运用 [1,2]。目前有三种战略来进步能量密度并战胜这一瓶颈以实现广泛运用。
第一种战略是开发具有优异功能（例如高电导率和高比表面积）的新资料，以进步比电容，然后进步能量密度[[3], [4], [5]]。过渡金属氧化物（TMOs）因其高理论容量、氧化复原活性位点以及天然储量丰厚而极具远景[6]。其中，尖晶石型双金属氧化物MnCo₂O₄（MCO）锋芒毕露，这得益于Mn和Co离子协同效果所带来的增强的电导率和氧化复原活性。锰基资料在充放电过程中能够在Mn(IV)/Mn(III)和Mn(III)/Mn(II)多价态之间切换。因而，经过提供更丰厚的氧化复原反应，它为锰基资料提供了更高的比容量。与其他过渡金属资料比较，锰基资料具有更高的电化学活性特征。此外，它们无毒、环保，更重要的是资源丰厚。用Mn²⁺替代Co₃O₄晶格中的Co²⁺会导致反尖晶石结构的形成，然后增强氧吸附、促进离子扩散并进步电化学活性[7,8]。
第二种战略是经过结合具有互补功能的不同资料来设计混合电极，然后进步电荷存储功能。过渡金属硒化物（TMSe），如NiSe，因为金属-硒键的金属特性而表现出优异的导电性。硒较低的电负性和较宽的价带增强了离子扩散和电子传导[9,10]。因而，与传统的氧化物和硫化物比较，过渡金属硒化物经过有用的3d–4p轨迹杂化，提供了增强的电导率（归因于硒更强的金属特性）和有利的电子结构的引人注目的结合。这些特性支撑了它们在氧气/氢气分出反应等电化学运用中的卓越功能[11,12]。此外，镍具有3d84s2的价电子构型且电负性与硒金属相当，已被考虑用于能量存储运用中，其在镍硒化物结构中协同促进了能量存储[2,13,14]。
进步能量密度的第三种战略是采用适宜的电极资料描摹[[15], [16], [17], [18], [19]]。当需要快速充放电过程时，电极资料的内部空间无法利用，然后产生大量死区。因而，恰当的描摹经过增加电化学活性位点的数量并改善质量/电荷传输途径，对减少死区和进步电化学功能具有重大影响。描摹操控能够使镍基硒化物结构充沛接触电解质，并为离子和电荷传输发明顺畅的通道[5]。此外，中空结构能缩短离子扩散途径，并提供富含活性中心的高比表面积以进步能量密度[[20], [21], [22]]。
基于这些考虑，我们制备了NiSe/MnCo₂O₄（NS/MCO）复合电极。NiSe纳米线在镍泡沫上经过水热法合成，形成了三维导电网络。随后负载洋葱状MnCo₂O₄空心球以增强氧化复原活性和电解质可及性。这种共同的结构，结合多价金属离子和高导电硒基相的存在，促进了快速的离子/电子传输。运用Na₂SO₄电解质是为了按捺析氢反应，然后扩展电压窗口。钠离子经过有用按捺H⁺摄取来降低析氢反应活性，进而增加了作业电极的作业电位窗口。分级NiSe纳米线与MnCo₂O₄洋葱状空心球的共同结构有利于与电解质有用接触，然后实现有用的离子和电子传输。运用多价锰和钴金属离子能够进步储能功能。一起，因为结构中存在Se，快速的电子传输得到了改善。NS/MCO电极在1Ag⁻¹下表现出47.84 mAh g⁻¹的比容量。此外，在6000次充放电循环后，它能够坚持初始容量的92.5%。研讨了在KOH和Na₂SO₄电解质中的HSCs器件。所构建的器件显示出最大比能量为43.61 Wh kg⁻¹，比功率为12.76 W kg⁻¹。