Ultra-hoog-capaciteit supercondensator-elektroden uit eenstaps-hydrothermale synthese van chloor-gedopte gecarbonateerde kobalthydroxide-nanodraden op nikkel-schuim

Samenvatting

Wij presenteren een binder-vrije elektrode bestaande uit zelf-gestabiliseerde chloor-gedopte gecarbonateerde kobalthydroxide-nanodraden (Co-ClNWs) gegroeid direct op nikkel-schuim via een eenvoudige eentraps-hydrothermale procedure. De naaldvormige nanodraden, 3–10 nm in diameter en hoog mesoporeus, leveren een groot actief oppervlak en onbelemmerde ionen-paden. In een drie-elektrode-opstelling levert de Co-ClNWs(NiE) elektrode een specifieke capaciteit boven 2150 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, behoudt 94,3% van zijn capaciteit na 500 cycli, en bereikt een energiedichtheid van 41,8 W h kg⁻¹ bij een vermogensdichtheid van 1280 W kg⁻¹ wanneer gebruikt als de positieve elektrode van een asymmetrische supercondensator. Vergeleken met conventionele elektroden, biedt de eentraps-methode superieure electrochemische prestaties terwijl de fabricatie vereenvoudigd wordt, wat een veelbelovende route biedt voor next-generatie energietopslag-apparaten.

Inleiding

Supercondensatoren zijn cruciaal voor snelladen, hoogvermogen, en lange-cycli energietopslag, wat ze aantrekkelijk maakt voor militaire, auto-, en draagbare elektronica-toepassingen. Ze worden geclassificeerd als elektrische dubbellaag-condensatoren (EDLCs) of pseudocondensatoren, de laatste ladingen opslaan via Faradayse redox-reacties. Terwijl rutheniumoxide uitstekende prestaties biedt, hinderen de kosten, lage porositeit, en toxiciteit commercieel gebruik. Daarom worden aardrijkdom-metaaloxiden/hydroxiden zoals NiO, Co₃O₄, Fe₃O₄, Fe₂O₃, V₂O₅, Co(OH)₂, en Ni(OH)₂ verkend.

Co(OH)₂, met omkeerbare redox-reacties en een hoge theoretische capaciteit, profileert zich als veelbelovende kandidaat. Morfologie-controle—vooral hoog oppervlak en mesoporositeit—is bewezen cruciaal voor het bereiken van hoge capaciteit. Mahmood et al. demonstreerden chloor-gedopte gecarbonateerde kobalthydroxide-nanodraden (Co(CO₃)_0,35Cl_0,20(OH)_1,10) met uitzonderlijke capaciteit en energiedichtheid, wat ze toeschreven aan hydrofiele oppervlakken en anionische stabilisatoren die polarisatie mitigeren.

Structurele innovatie, zoals kern-schelp of hiërarchische architecturen, kan iontransport en elektrode-elektrolyt-contact verder verbeteren. Bijvoorbeeld, een MnCo-LDH@Ni(OH)₂ kern-schelp op nikkel-schuim bereikte 2320 F g⁻¹ bij 3 A g⁻¹, doch de synthese betrof complexe stappen. Een eenvoudige, schaalbare route naar uniforme, hoogpresterende elektroden blijft gewenst.

In dit werk synthetiseren wij mesoporeuze chloor-gedopte gecarbonateerde kobalthydroxide-nanodraden (Co-ClNWs) direct op nikkel-schuim via een gemakkelijke eentraps-hydrothermale methode, wat de Co-ClNWs(NiE) elektrode oplevert. De elektrode's intrinsieke ontwerp maximaliseert actieve-plaats-gebruik en ion-toegankelijkheid, wat een referentiepunt biedt voor kobalt-gebaseerde supercondensator-materialen en een blauwdruk voor industriële opschaling.

Methoden

Synthese van Co-ClNWs op Ni-schuim

Commerciële nikkel-schuim (Canrd Co., Ltd.) werd gereinigd in 0,5 M HCl gedurende 30 min, gespoeld met gedeioniseerd water en ethanol, en gedroogd bij 80 °C gedurende 12 uur. Een oplossing van 3,5 g CoCl₂·6H₂O en 0,9 g ureum in 100 mL gedeioniseerd water werd gerold gedurende 30 min tot complete oplossing. Nikkel-schuimen werden gedoopt in de oplossing binnenin een roestvrij-stalen autoklaaf en verwarmd bij 120 °C gedurende 20 uur. Na afkoelen werden de schuimen gewassen, gedroogd onder vacuüm, en opgeslagen voor gebruik.

Materialen Karakterisering

Morfologie werd onderzocht door FE-SEM (MIRA3 TESCA) en TEM (FEI Tecnai). XRD-patronen werden opgenomen op een SIEMENS D500 diffractometer (Cu Kα, λ = 0,15056 nm). XPS werd uitgevoerd op een ESCALAB 250 (Al Kα). Stikstof-adsorptie-desorptie-isothermen (ASAP 2020) leverden BET-oppervlaktes en poriegrootte-verdelingen via QSDFT.

Electrochemische Metingen

De Co-ClNWs(NiE) elektrode (geometrisch oppervlak = 1 cm², massa = 3 mg, dikte = 0,25 mm) werd getest in een drie-elektrode-cel met Pt-tegen-elektrode en Hg/HgO-referentie in 6 M KOH. Cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading-ontlading (GCD), en electrochemische impedantie-spectroscopie (EIS) (5 mV, 0,01 Hz–100 kHz) werden uitgevoerd op een CHI660E werkstation. Specifieke capaciteit werd berekend uit Eq. (1). Voor de asymmetrische supercondensator (ASC) diende Co-ClNWs(NiE) als de positieve elektrode en geactiveerd koolstof (AC) als de negatieve elektrode; de massaverhouding werd bepaald door Eq. (2). Energie- en vermogensdichtheden werden afgeleid uit Eqs. (3)–(5).

Resultaten en Discussie

Karakterisering van de Co-ClNWs(NiE)

SEM-afbeeldingen (Fig. 1) tonen aan dat de nanodraden dicht het gelaagde nikkel-schuim bedekken, vormend een 3-D interconnected netwerk. De hoge-vergrößering weergave (Fig. 1b) onthult naaldvormige Co-ClNWs (3–10 nm diameter) uitgelijnd in een gestaggerde manier, wat open paden voor elektolyte-toetreding behoudt. TEM (Fig. 3) bevestigt de einkristallijnen aard van de nanodraden, met roosterfranjesafstand van 0,508 nm (17,4°), overeenkomend met het (100) vlak van Co(CO₃)_0,35Cl_0,20(OH)_1,10 (JCPDS 38-0547). Het mesoporeuze oppervlak (Fig. 3d–e) biedt poriën > 2 nm, wat ion-diffusie verbetert. XRD (Fig. 4a) en XPS (Fig. 4b–d) verifiëren fase-zuiverheid en de aanwezigheid van Co²⁺/Co³⁺, Cl⁻, en carbonaat-groepen. Raman-spectra (Fig. 4e) tonen kenmerkende pieken bij 95, 813, 1045, en 1554 cm⁻¹, wat de chemische samenstelling bevestigt. N₂-adsorptie (Fig. 4f) toont een type IV isotherme met H3-hysteresis, wat aangeeft aan rijkdom aan meso- en macroporiën; de BET-oppervlakte is ~5 m² g⁻¹, bescheiden maar gecompenseerd door hoge kristalliniteit en actieve plaatsen.

Electrochemische Prestaties van de Co-ClNWs(E) Elektrode

CV-curven (Fig. 5a) van de Co-ClNWs(E) elektrode vertonen symmetrische redox-pieken bij scansnelheden 2–20 mV s⁻¹, wat pseudocapacitief gedrag bevestigt. GCD-curven (Fig. 5b) leveren specifieke capaciteiten van 975, 950, 900, 825, en 640 F g⁻¹ bij 1–8 A g⁻¹, respectievelijk. EIS (Fig. 5d) toont een halve-cirkel-diameter van ~2 Ω, wat matige ladingsoverdrachtsweerstand aangeeft. Na 500 cycli (Fig. 5e) blijft de CV-vorm onveranderd, wat robuuste cyclische stabiliteit aangeeft.

Electrochemische Prestaties van de Co-ClNWs(NiE) Elektrode

Co-ClNWs(NiE) levert superieure prestaties: CV-curven (Fig. 6a) behouden duidelijke redox-pieken tot 20 mV s⁻¹. GCD bij 1 A g⁻¹ (Fig. 6b) toont een plateau wat Faradayse reacties bevestigt, en een specifieke capaciteit van 2150 F g⁻¹—meer dan tweemaal die van Co-ClNWs(E). Bij hogere snelheden worden capaciteiten van 1985, 1872, 1599, en 944 F g⁻¹ waargenomen bij 2, 3, 5, en 8 A g⁻¹, respectievelijk, wat uitstekende snelheidscapaciteit demonstreert. Cyclische stabiliteit (Fig. 6d) behoudt 94,3% na 500 cycli. EIS (Fig. 6f) onthult verminderde seriesweerstand en steilere laag-frequentie-helling na cycleren, wat verbeterde ion-diffusie aangeeft.

De ASC gemonteerd met Co-ClNWs(NiE) als de positieve elektrode en AC als de negatieve elektrode opereert bij 1,6 V. CV (Fig. 6g) en GCD (Fig. 6i) metingen tonen een specifieke capaciteit van 117,5 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, energiedichtheid van 41,8 W h kg⁻¹ bij 1280 W kg⁻¹, en 21,2 W h kg⁻¹ bij 6397 W kg⁻¹ (8 A g⁻¹), wat veel recente rapporten overtreft.

Conclusie

Wij hebben een binder-vrije Co-ClNWs(NiE) elektrode ontwikkeld via een eentraps-hydrothermale methode. De elektrode bereikt een specifieke capaciteit van 2150 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, behoudt 94,3% na 500 cycli, en levert een energiedichtheid van 41,8 W h kg⁻¹ bij 1280 W kg⁻¹. Deze resultaten benadrukken Co(CO₃)_0,35Cl_0,20(OH)_1,10 nanodraden als een veelbelovende kandidaat voor hoge-energie supercondensatoren, en tonen aan dat directe groei op nikkel-schuim actieve-plaats-gebruik en elektrode-leidbaarheid maximaliseert.

Afkortingen

ASC:

Asymmetrische supercondensator

Co-ClNWs:

Chloor-gedopte gecarbonateerde kobalthydroxide-nanodraden

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWs gehecht aan nikkel-schuim via PTFE

Co-ClNWs(NiE):

Co-ClNWs direct gegroeid op nikkel-schuim

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLCs:

Elektrische dubbellaag-condensatoren

GCD:

Galvanostatische lading en ontlading

MBT en MAT:

Electrochemische impedantie-spectra voor (MBT) en na (MAT) cycleren