Все

May 28, 2023

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 23289 (2016) Цитировать эту статью

7586 Доступов

138 цитат

Подробности о метриках

Полностью твердотельные высокопроизводительные асимметричные суперконденсаторы (ASC) изготавливаются с использованием γ-MnS в качестве положительного электрода и пористого активированного угля, полученного из баклажанов (EDAC), в качестве отрицательного электрода с насыщенным агаровым гелем гидроксида калия в качестве твердого электролита. Ламинарная вюрцитная наноструктура γ-MnS облегчает внедрение гидроксильных ионов в межслоевое пространство, а нанопроволока сульфида марганца обеспечивает каналы транспортировки электронов. Однородная по размеру пористая наноструктура EDAC обеспечивает непрерывный путь электронов, а также облегчает короткие пути транспортировки ионов. Благодаря этим особым наноструктурам как MnS, так и EDAC они имели удельную емкость 573,9 и 396 Ф г-1 при 0,5 А г-1 соответственно. Оптимизированный асимметричный суперконденсатор MnS//EDAC демонстрирует превосходные характеристики: удельная емкость 110,4 Ф г-1 и сохранение емкости 89,87% после 5000 циклов, высокая плотность энергии 37,6 Вт·ч кг-1 при плотности мощности 181,2 Вт·кг-1. и остается 24,9 Втч/кг даже при 5976 Вт/кг. Впечатляет то, что такие два последовательно собранных твердотельных элемента могут зажигать красный светодиодный индикатор в течение 15 минут после полной зарядки. Эти впечатляющие результаты делают эти экологически чистые материалы перспективными для практического применения в ASC на основе твердых водных электролитов.

Суперконденсатор, как усовершенствованное устройство хранения энергии, обладает множеством желательных свойств, включая высокую плотность мощности, возможность быстрой зарядки/разрядки и отличную циклическую стабильность, которые, как мы надеемся, удовлетворят экспоненциально растущий спрос на бытовую электронику1,2. Однако до сих пор большинство коммерчески доступных суперконденсаторов имеют низкую плотность энергии (<10 Втч/кг), что ограничивает их применение в качестве первичных источников питания для замены аккумуляторов3,4. Обратите внимание, что плотность энергии (E), обозначаемая как E = CV2/2, может быть улучшена за счет увеличения удельной емкости (C) материалов электродов и/или расширения окна рабочих потенциалов (V). В настоящее время для расширения окна рабочего потенциала используются две стратегии: использование органических электролитов (до 4 В) или разработка асимметричных суперконденсаторов (ASC)4. По сравнению с водными электролитами, органические электролиты могут обеспечить лучшую электрохимическую стабильность электродов, которые, однако, обычно страдают от ограниченной ионной проводимости, плохой безопасности и токсичности5,6. Таким образом, конструкция ASC в водных электролитах является эффективным подходом к расширению окна рабочих потенциалов и обеспечению эффективной плотности энергии. Эти асимметричные суперконденсаторы обычно состоят из электрода Фарадеева батарейного типа (в качестве источника энергии) и электрода конденсаторного типа (в качестве источника питания), что обеспечивает превосходство как материала типа батареи (плотность энергии), так и конденсатора. -тип материала (срок службы, скорость переноса электронов)7,8. Между тем, ASC могут в полной мере использовать различные потенциальные окна материалов электродов, соответственно обеспечивая максимальное потенциальное окно в клеточной системе7,9. Поэтому выбор подходящих материалов как для положительных, так и для отрицательных электродов для сборки высокопроизводительных ASC имеет решающее значение.

До сих пор оксиды/сульфиды переходных металлов широко исследовались в качестве материалов положительных электродов из-за их высокой псевдоемкости1,6,10,11. Среди них нанокристаллы сульфида марганца (MnS) привлекают все большее внимание из-за их значительного преобладания, такого как высокая теоретическая удельная емкость, дешевизна, экологичность и более высокая электронная проводимость (до 3,2 × 103 См/см), чем их оксиды или гидроксиды1. 5,12. Кроме того, ламинарная наноструктура (особенно γ-фаза со структурой вюрцита) ускоряет проникновение электролита и интеркаляцию ионов, что значительно способствует его собственной электрохимической реакционной способности для емкостного поведения (рис. 1а). Например, мы успешно синтезировали нанокристалл γ-фазы MnS, регулируя содержание сульфид-ионов аммиаком в качестве комплексного агента и осадителя, удельная емкость которого достигла 704,5 Ф г-1 · 11, что значительно выше, чем у MnO2 (310 Ф г-1 · 11). −1 при 2 мВ с-1)13, Mn3O4 (314 Ф г-1 при 2 мВ с-1)14.