低結晶性羥基氧化鐵納米顆粒：電化學性能優異的超級電容器負極材料

莊 林

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

低結晶性羥基氧化鐵納米顆粒：電化學性能優異的超級電容器負極材料

莊 林

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

作為一種新型的能源存儲器件，超級電容器具有許多優異特性：高功率密度、充電時間短、使用壽命長等，然而，超級電容器過低的能量密度大大限制了其廣泛應用，根本原因是受限于電極材料本身的儲能機制特性1,2。根據儲能機制的不同，電極材料主要分為兩大類：雙電層物理吸附的碳基材料(低比電容)和表面近表面氧化還原反應的贗電容材料(高比電容)3,4。目前為了提高超級電容器的能量密度，主要采取的策略是選取贗電容材料為正極，雙電層碳基材料為負極設計組裝非對稱式超級電容器，然而受限于碳基負極材料本身的雙電層儲能特性，得到的非對稱式全電容器的比電容依然較低，無法滿足儲能器件能量密度的要求5。因此，亟需研究開發具有高比電容，高倍率特性，優異循環特性的超級電容器負極材料，在水系電解液下(相比于有機和離子液體體系，水系具有器件組裝方便、安全環保、成本低等優點)設計組裝得到高能量密度、高功率密度、長壽命的超級電容儲能器件。

圖1 低結晶性超級電容器負極材料及其電化學特性(a)Fe2O3高結晶性；(b)電化學活化后FeOOH低結晶性；(c)FeOOH循環伏安曲線圖(d)高負載量下優異倍率性能；(e)水系下高能量密度；(f)不受擴散控制的電化學動力學過程

最近武漢理工大學麥立強教授課題組通過簡單的水熱和電化學法設計合成了一種具有優異電化學儲能特性的超級電容器負極材料，相關結果發表在Nature Communications雜志上6。經過前期電化學活化后，電極材料由高結晶性氧化鐵轉化為低結晶性羥基氧化鐵(圖1(a,b))。循環伏安曲線表現為具有雙電層電容特性的類矩形形狀，顯示出優異的電容儲能特性(圖1c)。即使在活性物質負載量達到9.1 mg·cm?2時(達到商業化活性物質負載量標準)，在1 A·g?1的電流密度下，仍具有716 F· g?1的比容量，在大電流充電下(充電時間小于1 min)，比容量依然達到427 F·g?1(圖1d)。

此項研究發現，低結晶性羥基氧化鐵具有如此優異電化學儲能性質主要歸因于其電容行為的電化學儲能特性7，儲能過程中電化學反應動力學離子嵌入擴散控制的容量貢獻只占10.4%(5 mV· s?1)(圖1f)，使得負極材料在有高比電容的同時兼具有高的倍率和好的循環特性。當與鉬酸鎳正極材料在水系下組裝成非對稱式儲能器件時，其工作電壓可以達到1.7 V，在功率密度為1.27 kW·kg?1時能量密度為104 Wh·kg?1(圖1e)。當活性物質質量占整個器件質量35%的時候(包括活性物質、集流體和隔膜的質量)，儲能器件能量密度依然達到31.44 Wh·kg?1，循環10000次容量保持率為80%6。

該項研究得到的超級電容器負極材料符合超級電容器負極材料的要求，同時也為設計制備高能量密度、高功率密度、長壽命、安全高效能源儲存器件提供了新的思路。

(2)Simon,P.;Gogotsi,Y.;Dunn,B.Science 2014,343,1210.doi: 10.1126/science.1249625

(3)Salanne,M.;Rotenberg,B;Naoi,K.;Kaneko,K.;Taberna,P.L.; Grey,C.P.;Dunn,B.;Simon,P.Nat.Energy 2016,1,16070.doi: 10.1038/NENERGY.2016.70

(4)Augustyn,V.;Simon,P.;Dunn,B.Energy Environ.Sci.2014,7, 1597.doi:10.1039/c3ee44164d

(5)Lukatskaya,M.R.;Dunn,B.;Gogotsi,Y.Nat.Commun.2016,7, 12647.doi:10.1038/ncomms12647

(6)Owusu,K.A.;Qu,L.;Li,J.;Wang,Z.;Zhao,K.;Yang,C.; Hercule,K..;Lin,C.;Shi,C.;Wei,Q.;Zhou,L.;Mai,L.Nat. Commun.2017,8,14264.doi:10.1038/ncomms14264

(7)Brezesinski,T.;Wang,J.;Tolbert,S.H.;Dunn,B.Nat.Mater. 2010,9,146.doi:10.1038/NMAT2612

Low-Crystalline Iron Oxide Hydroxide Nanoparticles: High-Performance Anode for Supercapacitors

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

imon,P.;Gogotsi,Y.Nat.Mater.2008,7,845.

10.1038/ nmat2297

doi:10.3866/PKU.WHXB201703141