超薄氧化鉬包覆氧化釩納米棒電極贗電容性能研究

日期：2018-08-06 點擊次數：2510

超薄氧化鉬包覆氧化釩納米棒電極贗電容性能研究

原創： Energist 能源學人 今天

超級電容器（Supercapacitors）具有高功率儲能特性，但能量密度有待進一步提升，以滿足日益增長的需要。法拉第贗電容材料依靠表面或近表面所發生的氧化還原反應儲能，以其為電極材料組裝超級電容器，能量密度通常高于碳基材料超級電容器。然而，由于贗電容材料固有的低導電性、較慢的反應動力學等原因，其電化學性能，尤其是高電流密度下的電容保持率一直不令人滿意。構建多相組分電極材料是提高電化學性能的有益探索。前人的研究結果表明，兩相界面處可提供新的電化學儲能位點，并可通過界面內電場或者化學耦合作用等方式改善儲能性能。

*近，東北大學的劉曉霞教授與孫筱琪博士課題組（共同通訊）通過簡單易行的電沉積方法，制備了超薄氧化鉬包覆的氧化釩納米棒復合電極，并分析了其**的贗電容性能。作者通過對電化學阻抗（EIS）數據的詳細分析，解析了復合電極倍率性能的強化。利用X射線光電子能譜（XPS）分析，發現超薄氧化鉬包覆可促進氧化釩的儲能電化學反應，因此復合材料的比電容得以顯著提高。該文章發表在國際知名期刊Advanced FunctionalMaterials上（影響因子：13.325）. 

與未包覆VOx納米棒相比，VOx@MoO3復合材料的傅里葉紅外光譜（FTIR）中與V=O、V-O、V-O-V有關的吸收峰發生藍移；包覆后，在V 2p3/2 X射線光電子能譜（XPS）中，V4+和V5+的譜峰也移向低電子結合能方向。這表明MoO3包覆對氧化釩的化學環境和電子結構產生了影響。在2mA/cm2的電流密度下，VOx@MoO3復合電極的面積電容達1980mF/cm2，明顯高于未包覆VOx電極（1309mF/cm2）和單獨MoO3電極（233 mF/cm2）的電容之和，表明在異相界面處產生的協同作用有助于提高復合材料的電容。此外，在100mA/cm2的高電流密度下，VOx@MoO3復合電極依然可以保持1166 mF/cm2的面積電容，表現出**的倍率性能。經10000次恒電流循環充放電后，VOx@MoO3復合電極可維持94%的電容，具有**的穩定性。

為了進一步理解異相相互作用對復合材料倍率性能的影響，詳細分析了VOx@MoO3和未包覆VOx電極的EIS數據。VOx@MoO3復合電極在低頻區的斜率更加接近90°，在高頻區表現出更小的等效串聯電阻（Rs），具有更好的電容行為和更快速的離子遷移能力。分析了電極的虛部電容（C″）與頻率（f）的關系，發現VOx@MoO3復合電極 的弛豫時間常數僅為3.1s，小于VOx電極（9.6s），表明前者具有更高的功率輸出能力。分析了快速的電容過程和較慢的擴散過程對電極的儲能貢獻，在5mV/s的掃描速度下，VOx@MoO3復合電極的電容過程儲能貢獻高達88.5%，明顯**VOx電極（77.8%），進一步解析了復合電極的快速電荷儲存動力學。為了分析MoO3包覆對VOx儲能性能的影響，對-1.2V 和-0.3V極化電位下（vs. SCE）的VOx@MoO3復合電極和未包覆VOx進行了XPS分析。結果表明，在兩種電極中，VOx均以V4+和V5+之間的電化學轉化為主要儲能方式，但VOx電極中的轉化比例僅為11%，而VOx@MoO3復合電極中的轉化比例高達32%，表明MoO3包覆對界面或近界面處VOx化學環境和電子結構的修飾有助于促進其電化學反應的發生。

圖1.（a）FEG基底、（b）VOx、（c）VOx@MoO3的SEM圖像（插圖為高倍數放大圖像）。（d）VOx@MoO3的TEM圖像。（e）異相納米棒中O、V、Mo元素的分布。（f）FEG基底、VOx、VOx@MoO3的XRD衍射譜圖。（g）VOx、VOx@MoO3的FTIR光譜。（h）VOx、VOx@MoO3中V 2p3/2的XPS光譜。（i）VOx@MoO3中Mo 3d的XPS光譜。

圖2.（a）MoO3、VOx、VOx@MoO3電極在20mV/s的掃描速度下的CV曲線。（b-c）VOx@MoO3電極在不同電流密度下的恒電流充放電曲線。VOx和VOx@MoO3電極在（d）不同電流密度下的面積電容及（e）循環穩定性測試。

圖3.（a）VOx和VOx@MoO3電極的Nyquist圖，插圖為高頻區的局部放大圖。（b）VOx和VOx@MoO3電極的虛部電容與頻率對數的關系。（c）VOx和（d）VOx@MoO3在5mV/s掃速下的電容貢獻分析，陰影區域為電容儲能部分。（e）VOx和（f）VOx@MoO3在-1.2V和-0.3V下的V 2p3/2XPS光譜。

圖4.（a）VOx@MoO3/FEG//MnO2/CEG非對稱型電容器在10、20、40、60、80、100mV/s掃速下的CV曲線。（b）電容器在5、10、20、40、60、80、100mA/cm2電流密度下的恒電流充放電曲線。（c）電容器的Ragone圖。（d）電容器在50mA/cm2電流密度下的循環充放電穩定性測試結果，插圖為電容器為發光LED燈泡供能的數碼照片。

Si-Qi Wang, Xiang Cai, Yu Song, Xiaoqi Sun,Xiao-Xia Liu, VOx@MoO3 Nanorod Composite for High-Perofrmance Supercapacitors. Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201803901. 

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