近日, 合肥工業大學材料科學與工程學院教授閆建與中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員王俊峰課題組毛文平合作, 研究Al 3+摻雜二氧化錳的電化學迴圈穩定性, 相關成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 雜誌上.
超級電容器具有比容量高, 迴圈壽命長, 環境友好等特點, 在電子產品和混合動力系統中充當著綠色能源的角色. 超級電容器電極材料是影響超級電容器電化學性能的關鍵因素. 二氧化錳(MnO 2)不僅理論比容量高, 而且原料豐富, 是一種具有較好應用前景的電極材料. 但由於其導電性和迴圈穩定性差, 在電化學迴圈過程中的電容量保持率有待提高. 通過摻雜金屬離子能夠提高二氧化錳的電化學性能和迴圈穩定性.
研究人員採用化學沉澱法製備了Al 3+摻雜MnO 2(Al-MO)和純MnO 2(MO)兩種電極材料並分析二者的電化學性能. 測試發現: Al-MO電極在1A/g的電流密度下比容量為264.6F/g, 高於MO電極(180.6F/g), 並在室溫和50°C高溫下均具有較好的迴圈穩定性. 通過場發射掃描電子顯微鏡觀察電極在不同迴圈次數後的微觀形貌, 發現Al-MO電極逐漸由顆粒狀變成了針片狀結構, 但是晶型並沒有發生變化, 而MO電極在迴圈過程中同時發生了形貌和晶型的變化.
為進一步理解電極形貌演變與電化學穩定性之間的關係, 研究人員藉助原位固體核磁共振觀察不同充放電周期中Na +在Al-MO和MO正電極中的嵌入/脫嵌過程, 發現充放電過程中MO電極的23Na譜峰在不同電位, 不同周期下呈現明顯的變化, 表明MO電極在迴圈中發生了結構的變化; Al-MO電極充放電過程中23Na譜峰則沒有發生明顯變化, 甚至在第一個迴圈周期都沒有任何變化, 說明Na+在Al-MO電極表面發生了快速可逆的嵌入/脫嵌反應, 也表明Al-MO電極結構穩定.
基於以上測試結果, 研究人員推測MO電極在迴圈過程中的形貌演變可能遵循 '粉末化—自組裝' 的過程. Na+的嵌入/脫嵌導致MnO 2納米顆粒體積發生變化從而引起表麵粉末化, 這些粉末化的納米顆粒重新組裝後表現出形貌變化. 在弱鍵結合的情況下, 重新組裝後的微小顆粒可能脫離母體而溶解於電解液中. 隨著活性電極材料的損失, 電容量將逐漸下降. 對MnO 2進行Al 3+摻雜, 能夠增強粉末化顆粒之間的結合, 從而有利於提高MnO 2的結構穩定性.
該研究中的部分實驗在中科院合肥戰略能源與物質科學大型儀器區域中心的600 MHz固體核磁共振波譜儀上結合自作靜態探頭完成.
圖: Al3+摻雜MnO2充放電過程23Na譜圖, 微觀形貌以及室溫和50°C時的比容量
