NiS/Ni3S2@NiWO4纳米阵列用于构造能量密度创新高的全固态混合超级电容器

混合型纳米电极材料的合理设计及合成对于其不同的应用具有重要意义,尤其是对于可用于下一代电动汽车和电子设备供电的高效纳米结构超级电容器(SCs)储能器件.本文报道了一种简便可控合成核-壳Ni₃S₂@NiWO₄纳米阵列的方法,并将其用于混合超级电容器的独立电极.在5 mA cm^-2的条件下,所制备的Ni₃S₂@NiWO₄独立电极表现出高达2032μA h cm^-2的面积容量;即使电流密度增至50 mA cm^-2,其容量保留率仍为63.6%.更重要的是,在功率密度为3.128 mW cm^-2时,该Ni₃S₂@NiWO₄纳米阵列混合超级电容器仍表现出1.283 mW h cm^-2的最大能量密度;而在能量密度为0.753 mW h cm^-2时,该超级电容器表现出的最大功率密度为41.105 mW cm^-2.此外,该混合超级电容器在连续10,000次循环后仍能保持89.6%的原始容量,从而进一步证明其优异的稳定性.本研究为合理设计各种核壳金属纳米结构提供了便捷途径,有助于促进其在高性能储能器件领域的广泛应用.     

原位电化学改性的预插层钒青铜水系锌离子电池正极材料（英文）

钒青铜是一种极具潜力的水系锌离子电池正极材料.然而,传统的单离子预插层V₂O₅材料由于自身结构的限制和储锌过程中发生不可逆的相变使其储锌能力接近上限.本文采用原位阴极氧化法将准层状材料Ca V₄O₉在特定的电解液中将双离子(Ca²⁺, Zn²⁺)引入δ-V₂O₅晶体骨架中,形成超薄钒青铜材料Ca_0.12Zn_0.12V₂O₅·n H₂O.该材料表现出超高的能量密度(366 W h kg^-1)和功率密度(6627 W kg^-1),并在大电流10 A g^-1下循环3000圈后可逆比容量仍高达205 m A h g^-1.通过多种原位/非原位表征,系统地揭示了材料与Ca²⁺电解液添加剂的协同作用,使结构、电...     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料，但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题，本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料，HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度，丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积，从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次，其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池，在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co₃(OH)₂(HPO₄)₂(Co-OH-HPi)。研究表明：Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co (Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^-2电流密度下816 mAh·g_Zn^-1的大放电比容量和150 mW·cm^-2的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。     

泡沫镍@石墨烯水凝胶@镍钴氢氧化物的制备及其超级电容性能

采用水热法将石墨烯生长到泡沫镍上,获得泡沫镍@石墨烯水凝胶基底材料(NF@GH),再以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为导向剂,在120℃下水热反应后得到NF@GH@NiCoLDH。并研究了石墨烯水凝胶对NF@GH@NiCoLDH复合材料电化学性能的影响。1 mA cm^-2电流密度下NF@GH@NiCoLDH的比容量可达3658 mF cm^-2,15 mA cm^-2时的比容量保持率为67.5%,高于NF@NiCoLDH(58%);10000次循环后的容量保持率为62%(15 mA cm^-2),具有较好的循环稳定性和倍率性能。以NF@GH@NiCoLDH为正极材料组装的不对称超级电容器比容量为909 mF cm^-2(1 mA cm^-2),器件的最高能量密度为0.25 mWh cm^-2(功率密度为0.7 mW cm^-2)。     

高电压氟磷酸钠钒纳米棒阵列实现高性能柔性钠离子电池（英文）

柔性钠离子电池(SIBs)在便携式和可穿戴设备中具有巨大的应用潜力,因为它们在特定情况下具有适用性和价格优势.在正极材料中,磷酸盐电极材料具有结构稳定性好、工作电位高和寿命长的优点.然而,由于对制造要求苛刻,反应复杂,以及柔性基材的缺失等问题,柔性磷酸盐电极材料的设计仍然是一个巨大的挑战.在此,我们报道了在柔性多孔碳纳米纤维上垂直生长的VO₂纳米片原位转化为三维氟磷酸钒钠纳米棒阵列(PCNF@NVOPF NR).PCNF@NVOPF NR实现了兼具柔性与高压正极电极的特点,并具有长期循环稳定性(4500次循环后容量保持率为87.6%).阵列结构可以确保快速的钠反应动力学和低界面电阻.此外,PCNF@NVOPF NR//PCNF@VO₂ NS@C钠离子全电池表现出高能量和功率密度(220.5 W h kg^-1和9400 W kg^-1).这种用于柔性正极的材料设计策略可促进实用钠离子电池的商业化.     

硅片上集成高介电调谐率的柱状纳米晶BaTiO3铁电薄膜

钛酸钡(BaTiO₃)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO₃薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO₃晶格常数相匹配的LaNiO₃作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO₃薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm^-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm^-1电场下, 漏电流密度仅为10^-5 A·cm^-2。其相对介电常数ε_r展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时ε_r为155, 当测试频率升至1 MHz, ε_r仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO₃薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。     

具有智能电致变色功能的镍钴双金属氢氧化物电极基柔性镍锌电池用于可视化监测剩余电量（英文）

具有电化学变色功能的柔性电池在智能电子领域显示出巨大的应用潜力.然而,具有可视化电量预警功能的镍锌电池目前尚未见报道.在此,我们设计了一种用于柔性镍锌电池的电致变色镍钴氢氧化物/镍/氧化铟锡(NiCo BH/Ni/ITO)柔性电极.通过优化Ni层厚度,电极在电流密度为0.1 mA cm^-2时,着色效率为5 9.8 9 cm²C^-1,容量为7.1 5μA h cm^-2.相应组装的电致变色镍锌电池功率密度为160μW cm^-2时,能量密度为12.69μW h cm^-2,优于部分文献报道的透明柔性超级电容器和电致变色电池.值得注意的是,组装的镍锌电池在充放电过程中显示出可逆的颜色变化,提供了一种可视化监测电池剩余电量的新功能.     

以MoS2修饰的3D打印还原石墨烯气凝胶制备微型超级电容器电极(英文)

微型超级电容器(MSCs)具有高的功率密度和卓越的循环性能,广泛的潜在应用,因而受到诸多关注。然而,制备具有高表面电容和能量密度的MSCs电极仍然存在挑战。本研究使用还原石墨烯气凝胶(GA)和二硫化钼(MoS₂)作为材料,结合3D打印和表面修饰方法成功构建了具有超高表面电容和能量密度的MSCs电极。通过3D打印技术,获得具有稳定宏观结构和GA交联微孔结构的电极。此外,采用溶液法在3D打印电极表面加载MoS₂纳米片,进一步提高了材料的电化学性能。具体而言,电极的表面电容达3.99 F cm^-2,功率密度为194μW cm^-2,能量密度为1 997 mWh cm^-2,表现出卓越的电化学性能和循环稳定性。这项研究为制备具有高表面电容和高能量密度的微型超级电容器电极提供了一种简单高效的方法,在MSCs电极领域具有重要的参考意义。     

聚苯胺-玉米苞叶纤维复合材料基柔性自支撑电极的制备及其电化学性能

为满足可穿戴电子设备日益提升的要求,低成本、高性能柔性超级电容器成为研究的热点。在玉米苞叶纤维(CHF)基材表面原位生长聚苯胺(PANI),继而以聚乙烯醇/硫酸(PVA/H₂SO₄)作为凝胶,通过简单的冻融法制备聚苯胺-玉米苞叶纤维柔性自支撑电极(PANI-CHF-GEL)。PANI-CHF-GEL显示出优异的力学性能(断裂强度为259 kPa,断裂伸长率为121%)和较好的韧性(断裂能为0.167 MJ·cm^-3)。采用PVA/H₂SO₄凝胶作为电解质组装得到的PANI-CHF-GEL//PANI-CHF-GEL对称固态超级电容器具有优越的电化学储能性能：在3.00 mA·cm^-2的电流密度下,面积比电容高达1 789.74 mF·cm^-2,功率密度为0.34 mW·cm^-2,能量密度为3.51 mW·h·cm^-2。此外,该器件还显示出良好的柔性,弯曲90°时仍能保持其初始性能,表明了其在...     

钠离子电池铁氧化物/碳基复合材料研究进展

探索高性能、低成本、环境友好型电极材料一直是电化学储能领域的研究重点,其中,铁氧化物(FeO_x:Fe₃O₄、α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃)作为钠离子电池负极材料具有较大的应用潜力而受到广泛关注。然而,FeO_x的电子和离子传导性较差,限制了循环稳定性和倍率性能,将其与碳基材料(石墨烯、石墨/无定型碳、多孔炭、碳纳米管和碳纳米纤维等)进行复合能够显著改善电化学性能。本文详细介绍了FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究现状。分析了导致FeO_x负极材料首次库伦效率低、循环稳定性和倍率性能差等问题的原因,以及各复合改性结构的优势,对今后FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究方向进行了展望。     

碳包覆介孔四氧化三铁纳米阵列:高性能Ni/Fe水相电池阴极材料

阴极材料的开发对于可充电水相电池的发展具有重要意义.本文通过自牺牲模板法和碳包覆法相结合制备了碳包覆介孔Fe₃O₄纳米阵列阴极材料(Fe₃O₄@C MNAs).得益于包覆碳层、介孔结构和纳米阵列结构的优异特性, Fe₃O₄@C MNAs电极表现出良好的倍率性能和优秀的循环稳定性.在组装的Ni/Fe电池器件中, Fe₃O₄@C MNAs表现出较高的能量密度及功率密度(在能量密度为213.3 W h kg^-1时功率密度为0.658 kW kg^-1和在功率密度为20.7 kW kg^-1时能量密度为113.9 W h kg^-1)和出色的循环稳定性(约5000次循环后保持81.7%).     

具有协同吸附-催化效应的莫特-肖特基异质结构修饰隔膜助力锂硫电池（英文）

锂硫电池(LSBs)的实际应用受到硫利用率低、严重的穿梭效应和缓慢的氧化还原反应的限制.本工作通过使用新型莫特-肖特基异质结构对隔膜进行改性的策略有效地缓解上述问题.具体而言,这种特殊结构通过导电聚合物聚吡咯(PPy)在Bi₂MoO₆纳米片表面原位聚合形成Bi₂MoO₆-PPy纳米片来合成.基于Bi₂MoO₆-PPy纳米片的强吸附效应、高催化活性和内置电场,这种新型异质结构可以降低多硫化物上的氧化还原能垒.使用由Bi₂MoO₆-PPy纳米片改性的功能隔膜组装的电池显示出良好的循环稳定性,在2 C下500次循环中,每次循环的容量衰减低至0.045%.此外,即使在高硫负载(7.5 mg cm^-2)下,电池在80次循环后仍显示出6.3mA h cm^-2的面积容量.因此,Bi₂MoO₆-PPy纳米片改性隔膜(Bi₂     

超快碳热冲击将废旧锂电池正极材料变废为宝制备多功能电极用于水分解和可充锌空气电池（英文）

随着锂离子电池在电动汽车和日常电子器件中的应用越来越广泛,亟需开发废旧锂电池电极材料回收技术.本文提出采用超快碳热冲击的方法将锂电池正极材料LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂快速转化成Ni/Ni-MnCo-O (N/NMCO)复合材料,其在氧析出(OER)、氧还原(ORR)、氢析出(HER)等反应中表现出优异性能. N/NMCO复合材料可以被同时用于电解水器件的正极和负极,并用于锌空气电池的正极,电池比容量可达781 mA h g^-1,能量密度达到137 mW cm^-2,充放电压差仅为0.71 V,且可以稳定运行超过30 h.本工作提供了一种“变废为宝”的策略,将废旧锂离子电池正极材料转化为高效电极材料用于其他能源存储与转换器件中.     

丁二腈增塑氟化聚碳酸酯基固态电解质用于4.5 V高压锂金属电池（英文）

与液态电解质相比,聚合物电解质(SPEs)具有更高的安全性,在储能领域具有广阔的应用前景.但是其高压下易分解、室温离子电导率低、室温循环性能差等问题阻碍了SPEs的应用.本研究以丙烯酸三氟乙酯和碳酸乙烯亚乙酯为原料,丁二腈为增塑剂,原位聚合制备了氟化聚碳酸酯基固态电解质SNSPE-40.SNSPE-40在25℃条件下离子电导率高达1.33 mS cm^-1,电化学窗口达到5.4 V.得益于富含氟化锂的SEI层的形成,Li|SNSPE-40|Li电池以0.1 mA cm^-2电流密度稳定循环了2000 h.在4.5 V截止电压和室温条件下,Li|SNSPE-40|LiNi_0.9Co_0.05-Mn_0.05O₂电池实现了0.5 C(1 C=220 mA g^-1)倍率300圈的稳定循环(57.4%容量保持率).Li|SNSPE-40|LiCoO₂电池实现了1 C(1 C=200 mA g^-1)倍率250...     

超薄烯-巯交联聚合物电解质及其固态高性能锂金属电池（英文）

固态聚合物电解质(SPE)是下一代安全电池系统的潜在材料,但SPE不能同时保持较高的机械强度和离子传导率,使下一步研究进入瓶颈.在此,我们通过原位点击反应在静电纺丝聚酰亚胺(PI)膜上制备了一种具有交联结构的聚醚硫醚电解质,厚度仅为19μm.由于烯-巯网络的交联结构和静电纺丝PI膜的增强作用,该SPE膜在60℃下具有135 MPa的储能模量, 2.24×10^-4S cm^-1的离子传导率和4.0 V的电化学稳定窗口,并且锂-锂对称电池在0.1 m A cm^-2下循环超过800 h,展现出了优异的循环稳定性.用该超薄聚合物电解质膜组装的LiFePO₄/Li电池在60℃, 0.5 C下能够循环超过250圈.这项工作开发了一种用于固态高性能锂金属电池的新型聚合物电解质.     

衬底偏压对反应磁控共溅射 Y∶HfO2薄膜电学性能的影响

作为微电子器件中最具发展前景的高介电薄膜材料,HfO₂薄膜得到了学者们的广泛研究。低漏电流是HfO₂薄膜使器件获得优良性能的前提,但易受晶粒尺寸、氧空位和粗糙度等因素影响。针对反应磁控溅射所得薄膜表面粗糙度高及漏电流密度大等缺点,本文在溅射过程中通过在衬底施加偏压的方法降低了HfO₂薄膜的漏电流密度。结果表明：通过在衬底施加适当的偏压使得Y掺杂HfO₂(Y∶HfO₂)薄膜的漏电流密度降低到8×10^-8 A/cm²。漏电流密度的变化与薄膜粗糙度和晶粒尺寸有关,而薄膜粗糙度和晶粒尺寸主要受衬底偏压的影响,但衬底偏压对薄膜物相的影响可以忽略。通过施加衬底偏压,利用反应磁控溅射方法制备了低漏电流和高k值Y∶HfO₂薄膜,可为高性能器件的制备提供基础。     

自组装FeRu双金属纳米催化剂在可逆固体氧化物电池中实现高效稳定的CO-CO2相互转化(英文)

本文报道了一种适应于高效稳定的CO-CO₂相互转化的可逆固体氧化物电池(RSOC)相变燃料电极.该燃料电极由FeRu双金属纳米催化剂和Ruddlesden-Popper相Pr_0.8Sr_1.2Fe_1-x-yRu_xMo_yO₄氧化物复合而成(FeRu@PSFRM).固体氧化物燃料电池(SOFC)模式时,单电池800℃时的最大输出功率密度可以达到170 W cm^-2;而在固体氧化物电解池(SOEC)模式下,800℃、1.3 V时电解池的电解电流密度达到-0.256 A cm^-2.在SOFC-SOEC循环测试过程中,RSOC中CO-CO₂相互转化过程经历了“活化-稳定-衰退”三个明显阶段.幸运的是,性能衰退的燃料电极可通过“原位氧化-还原”处理实现性能再生,有效提升该电池的使用寿命.研究结果表明,原位脱溶形成的FeRu@PSFRM材料是一种极具应用潜力的燃料电极候选材料,以期实现...     

宽波段减反膜实现23.9%效率的平面异质结构钙钛矿太阳能电池

虽然钙钛矿太阳能电池效率的发展令人鼓舞,但是由于光反射造成的器件基底界面的光子损失等问题仍然没有解决.光管理是降低反射损失并提高器件效率的有效途径.因此,我们设计了双层减反膜以涂敷在(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x钙钛矿太阳能电池的玻璃基底外侧,以期达到增加光吸收和提高器件效率的目的.该研究中的减反膜底层由硅聚合物构成,上层由氟代硅聚合物和六甲基二硅氧烷/介孔二氧化硅纳米粒子复合而成.通过精确调控上下层的折射率及厚度,我们在宽波段范围内实现了玻璃基底透过率从最高约90%显著提升到95%.在电池器件的玻璃基底外侧溶液涂膜制备减反膜后,(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x钙钛矿太阳能电池在保持填充因子和开路电压不变的情况下,短路电流和效率分别从25.5 mA cm^-2和22.7%提高到26.5 mA cm^-2和23.9%.本研究提出了一种简单、高效的通过双层减反膜的光管理提高太阳能电池效率的方法,且此方法可拓展到其他类型太阳能电池体系.     

泡沫镍上生长的具有三明治纳米结构的MnCo2O4@NiCoMnS4用于高性能水系非对称超级电容器(英文)

本文介绍了一种由水热生长的MnCo₂O₄ (MCO)纳米线以及随后电沉积的NiCoMnS4(NCMS)纳米片组成的高性能超级电容器电极材料,即泡沫镍上生长的MCO@NCMS.由于其多孔和互联的纳米结构以及MCO和NCMS的协同效应,在1 mA cm^-2处实现了12,020.8 mF cm^-2的高电容,并展现出良好的倍率性能以及循环稳定性.电化学测试表明,组装成的水性非对称超级电容器在0.800 mW cm^-2的功率密度下,达到0.611 mW h cm^-2的高能量密度并具有良好的循环稳定性,即在15,000次充放电循环后,容量保持率可达90%,且保持100%的库仑效率.