基于硒化物和碲化物的非对称超级电容器的研究

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非对称超级电容器(ASC)兼具了双电层电容器及法拉第赝电容器的特点,并且可以利用两种工作电位窗口不同的电极材料通过匹配互补来最大化地扩展电容器的工作电位窗口,从而有效提升能量密度(E=1/2CV2),因此,非对称超级电容器的研究已引起人们极大关注。非对称电容器的比电容往往是由正极材料性质所决定的,正极材料通常为一些赝电容材料(如金属氧化物、金属硫化物和导电聚合物等),它们可以通过法拉第氧化还原反应获得较大的赝电容。相较于金属氧化物和硫化物,硒化物和碲化物作为非对称超级电容器正极材料的研究报道目前还是较少见的。金属硒化物和碲化物作为重要的氧族化合物,其在催化剂、污水处理和染料太阳能电池等诸多领域的广泛应用证实了其具有优异的化学性质,因此硒化物和碲化物可能是一类富有发展前景的电极材料。本文采用具有3D骨架结构且导电性良好的泡沫镍为基底,利用水热法合成了纳米硒化物和碲化物电极材料,通过在同一电解质体系中使用两种占据着不同电位窗口的电极材料组装成非对称电容器,并研究了其电化学性能。主要研究内容及结果如下:  (1)利用一步水热法将介孔Co0.85Se纳米片原位生长于泡沫镍基底上,并作为超级电容器的电极材料。Co0.85Se电极展现出卓越的赝电容性能,其质量比电容可以达到1378.0F g-1和831.2F g-1(电流密度为1A g-1和20A g-1时)。此外,利用Co0.85Se和AC分别作为电容器的正、负极材料,组装成Co0.85Se//AC非对称超级电容器,实现了高的质量比电容和宽的工作电位窗口。其能量密度高达39.7Wh kg-1并拥有良好的循环稳定性,在2000次循环后,只有大约3.7%的电容损失。  (2)通过水热过程将Ni0.85Se生长于泡沫镍基底上,用作超级电容器的电极材料。该电极材料显示出较高的质量比电容,在电流密度为1Ag-1时其比电容达到1115.0F g-1。为了扩展工作电位窗口,Ni0.85Se和AC电极被组装成了Ni0.85Se//AC非对称电容器。该电容器成功将电容器的工作电位窗口从0.55V扩充到1.6V,并伴随有高的能量密度(32.2Wh kg-1)和优异的循环稳定性。  (3)将水热生长于泡沫镍基底上的CoTe纳米薄片作为超级电容器的电极材料,该电极也展现出显著的赝电容性能,最大质量比电容可以达到1021.2F g-1。CoTe与AC电极组装成的非对称电容器同样可以在1.6V的高压条件下稳定工作,其能量密度最大可以达到32.3Wh kg-1。为了进一步提升CoTe//AC非对称电容器的能量密度,将K4Fe(CN)6作为氧化还原添加剂掺杂到3M KOH碱性电解质中,由于体系中增加了K4Fe(CN)6自身氧化还原所提供的赝电容,使整个电容器的能量密度显著提升至87.3Wh kg-1,并具有良好的稳定性能。
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