基于表面嵌入双金属氧化物纳米颗粒负载的碳纳米纤维和活性炭的高性能全固态混合超级电

DOI：10.1016/j.electacta.2019.135494

通过利用静电纺丝工艺的便利优势，研究者将具有可调化学计量比的NiCo基双金属氧化物纳米颗粒装饰在碳纳米纤维（CNFs）上，随后将其作为电极组件进行了热处理。纤维网络上的双金属负载密度约为32 wt%，Ni:Co的化学计量比有所变化。高Ni负载（Ni₄₀:Co₂₀）纳米纤维电极在电流密度为1 A g^-1时的比容量为80.2 C g^-1，当Co负载量增加到Ni₂₀:Co₄₀时，比容量增加到165.6 C g^-1。甚至在10 A g^-1 下循环后，嵌入NiCo双金属氧化物基电极的CNFs仍显示84.3％的容量保持率。富钴电极组件在5 A g^-1下经过3000次循环后，具有出色的循环稳定性和94.9％的容量保持率，并且具有出色的速率性能和较低的内部电阻。C-NiCoO 纳米纤维//活性炭装置的全固态不对称超级电容器在0至1.6 V的电势窗口中的电流密度为1 A g^-1时，电池的比电容为191.4 F g^-1，最大能量密度为67.9 W h kg^-1。由于在碳纤维导电表面上均匀的单分散纳米颗粒网络和双金属位点的有效可逆氧化还原反应能力，CNFs上的表面嵌入Ni_xCo_yO₄纳米颗粒表现出优异的电化学性能。双金属纳米颗粒的薄层石墨特征改善了它们的导电性并防止了纳米颗粒的聚集，从而促进了循环稳定性并避免了从碳纤维中的浸出。

图1双金属NiCoO负载碳纳米纤维的结构、组成和表面功能特性：（a）XRD图谱，（b）TGA图谱，（c）不同Ni:Co比的C-NiCoO纳米纤维的FTIR谱；（d）C-NiCoO 纳米纤维的拉曼光谱，（e）由拉曼光谱得出的ID/IG比值，以及（f）C-NiCoO 纳米纤维和碳纳米纤维的BET分析结果。

图2用不同的Ni:Co化学计量比制备的C-NiCoO 纳米纤维的HRSEM和TEM显微照片：（a，b）C-NiCoO（40:20），（c，d）C-NiCoO（30:30），以及（e，f）C-NiCoO（20:40）纳米纤维。（g–i）C-NiCoO（20:40）纳米纤维各自的HRTEM图像，以及（j）碳、氮、氧、镍和钴的相应元素映射图像；（k）相应的EDAX频谱。（h）中的插图显示了C-NiCoO 纳米纤维的相应SAED模式。

图3不同化学计量比的C-NiCoO 纳米纤维的（a）XPS全扫描光谱和（b）C 1s，（c）N 1s，（d）Ni 2p，（e）Co 2p和（f）O 1s光谱。

图4具有不同组成的C-NiCoO 纳米纤维电极的比较：（a）分层C-NiCoO 纳米纤维在50 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线；（b）在不同扫描速率下C-NiCoO（20:40）纳米纤维的CV曲线； （c）以不同的扫描速率获得Randles-Sevcik图；（d）在不同电流密度下，分层C-NiCoO（20:40）奈米纤维的GCD曲线；（e）不同电流密度下合成电极材料的比容量；（f）在5 A g^-1的电流密度下进行3000次恒电流充放电循环后的容量保持。

图5（a）扫描速度为50 mV s^-1，电流密度为1 A g^-1时，分别用碳纳米纤维测定的不同重量百分比的NiCoO₂（20:40）的CV和GCD曲线；（c）电流密度为1、2、3、4、5、10和20 A g^-1时，不同负载密度的NiCoO在碳纳米纤维上的比容量；（d）C-NiCoO 纳米纤维电极的奈奎斯特图。

图6（a）示意图显示在2 M KOH/PVA电解质中使用C-NiCoO纳米纤维/Ni泡沫和AC/Ni泡沫HSC电极制备全固态HSC装置。（b）C-NiCoO纳米纤维和AC的循环伏安图，扫描速率为50mV s^-1；（c）在不同电势下运行的C-NiCoO（20:40）纳米纤维//AC-HSC装置的循环伏安图和（d）GCD曲线；（e）在0–1.6 V的固定电势下，C-NiCoO（20:40）纳米纤维//AC-HSC装置在不同扫描速率和电流密度下的循环伏安图和（f）GCD曲线；（g）计算出的HSC装置的电池比电容和（h）循环稳定性；（i）循环测试前后C-NiCoO（20:40）纳米纤维//AC-HSC装置的EIS光谱。

图7（a）研究工作中和文献中报道的全固态HSC装置的Ragone图。（b）由两个串联的全固态不对称超级电容器装置照亮的红色发光二极管（LED）的数码照片图像。（c）以不同角度折叠的C-NiCoO（20:40）纳米纤维//AC全固态ACS装置的CV曲线。（d）在正常和弯曲状态下全固态HSC装置的数码照片。