用于充電機充電非對稱超級電容器的高能量密度Ni3S2納米片陣列資料解析
2017-9-19 9:02:23??????點擊：
【導言】
作為新能源的代表之一，充電機充電超級電容器在處理全球能源問題的持久戰中發揮著非常重要的作用。為了完成它在多種范疇的應用，努力進步其能量密度以能與充電機充電蓄電池系統相媲美，是進步充電機充電超級電容器功能的具有挑戰性的使命之一。其中，充電機充電贗電容器依托快速的法拉第反應來貯存和釋放電荷，一般顯現出比雙電層充電機充電電容器更高的容量。但是，在充電機充電贗電容器中，大多數金屬氧化物和氫氧化物具有半導體或絕緣體的特性，因此此類電極資料有必要奇妙地規劃，以完成充電機充電贗電容器的最佳能量輸出。
【效果簡介】
2016年12月15日，ACS Applied Materials & Interfaces發表題為“合理規劃地自支撐Ni3S2納米片陣列用于超高能量密度的先進充電機充電非對稱超級電容器”Rational Design of Self-Supported Ni3S2 Nanosheets Array for Advanced Asymmetric Supercapacitor with a Superior Energy Density的研討論文，通訊作者為電子科技大學的陳俊松教授和新加坡國立大學的D. J. Blackwood教授。本文亮點：在本工作中，作者經過對活性物質的納米結構進行操控，以及對其化學組分進行改性，合理地規劃出一套完好的組成系統，成功制備了直接成長于泡沫鎳基底上的自支撐Ni3S2納米片陣列。該資料在三電極系統中于50 A g-1的極高電流密度下表現出的可逆容量高達1000 F g-1，而且循環20000次今后并沒有顯著的衰竭。隨后，本資料在與活性炭組成的充電機充電不對稱電容器（ASC）中表現出了高達202 W h kg-1的能量密度。
【圖文導讀】
計劃1. α- Ni(OH)2和Ni3S2的成長示意圖
第一步是一個在60°C低溫濕化學過程，以2-甲基咪唑（2-MI）為結構導向劑，使α- Ni(OH)2納米片成長在泡沫鎳基底上。第二步經過水熱硫化處理使α- Ni(OH)2轉化為為純相Ni3S2。這個過程也會將泡沫鎳基底的表層轉化為Ni3S2，以作為Ni3S2納米片與泡沫鎳基底之間的重要銜接，建立一個高效的電子分散路徑。
圖1. α- Ni(OH)2納米片（Ni(OH)2@Ni）的表征成果
α- Ni(OH)2納米片具有較高的結構柔軟度，嚴密而又規整地擺放在泡沫鎳基底上，形成了一個完好的平均厚度為1.4 μm的薄膜。
（A-C）為α- Ni(OH)2納米片的SEM 圖畫，（B）的刺進圖為α- Ni(OH)2納米片的擴大圖；
（D）為α- Ni(OH)2納米片的TEM圖畫，刺進相片顯現了含有α- Ni(OH)2納米片的膠體懸浮液具有丁達爾現象；
（E）為α- Ni(OH)2納米片的HRTEM圖畫；
（F）為無泡沫鎳支撐的α- Ni(OH)2納米片的XRD圖。
圖2. Ni3S2納米片（Ni3S2@Ni）的描摹表征成果
Ni(OH)2的二維納米結構在硫化后仍得到了很好的堅持，表現出了該資料較高的結構穩定性。改性后的Ni3S2納米片外表具有細小的皺紋狀結構。
（A-D）為Ni3S2@Ni的SEM圖畫；
（E）為從泡沫鎳基底上別離的Ni3S2納米片的TEM圖畫；
（F）為從泡沫鎳基底上別離的Ni3S2納米片的HRTEM圖畫。
Ni3S2@Ni的成份表征成果
經過水熱硫化法制備的Ni3S2@Ni具有杰出的結晶性。
（A）為Ni3S2@Ni的XRD圖，證明制備的資料為菱形Ni3S2且結晶度較高；
（B）為Ni3S2@Ni的XPS圖譜，證明Ni3S2中Ni的氧化態；
（C）為Ni3S2@Ni的拉曼光譜。
三電極系統中Ni3S2@Ni的電容功能
Ni3S2@Ni的電容量大，循環周期長，能量密度高。其功能優越于大多數已報導的鎳基資料。
（A）為不同掃描速率下的CV曲線；
（B）比照各種樣品由CV曲線計算出的電容；
（C）為不同電流密度下的恒流放電曲線；
（D）比照各種樣品由恒流放電曲線計算出的電容；
（E）為在50 A g?1下的多循環充放電功能。
Ni3S2@Ni∥AC ASC的功能
Ni3S2@Ni∥AC ASC具有優異的電容功能，且能量密度和功率密度優于已報導的硫化鎳基ASCs。
（A）為不同掃描速率下的CV曲線；
（B）為依據（A）計算出的電容；
（C）為不同電流強度下的恒流放電曲線；
（D）為依據（C）計算出的電容；
（E）為在10 A g?1下的多循環充放電功能。
（F）為當前工作與其他文獻的能量密度vs功率密度曲線的比較圖。
（A）為半固態（qSS） ASC，藍色虛線矩形標記為實際工作設備的部分；
（B）為qSS ASC處于曲折的狀態；
（C）為兩個ASCs串聯供電18個擺放形式為“NUS”綠色發光二極管。
【小結】
在這項工作中，作者經過合理地規劃兩步法，使用2-MI組成自支撐Ni3S2納米片陣列。該辦法顯著地進步了資料的電容功能，在50 A g-1的極高電流密度下，表現出了1000 F g?1的可逆容量，并在20000次充放電循環今后并無顯著的衰竭。根據這種資料的充電機充電非對稱電容器在1.7 kW kg?1的功率密度下，能量密度達到了202 W h kg?1。經過以現在的研討為例，我們對未來高功能電極資料的規劃供給了一個合理的方向。
作為新能源的代表之一，充電機充電超級電容器在處理全球能源問題的持久戰中發揮著非常重要的作用。為了完成它在多種范疇的應用，努力進步其能量密度以能與充電機充電蓄電池系統相媲美，是進步充電機充電超級電容器功能的具有挑戰性的使命之一。其中，充電機充電贗電容器依托快速的法拉第反應來貯存和釋放電荷，一般顯現出比雙電層充電機充電電容器更高的容量。但是，在充電機充電贗電容器中，大多數金屬氧化物和氫氧化物具有半導體或絕緣體的特性，因此此類電極資料有必要奇妙地規劃，以完成充電機充電贗電容器的最佳能量輸出。
【效果簡介】
2016年12月15日，ACS Applied Materials & Interfaces發表題為“合理規劃地自支撐Ni3S2納米片陣列用于超高能量密度的先進充電機充電非對稱超級電容器”Rational Design of Self-Supported Ni3S2 Nanosheets Array for Advanced Asymmetric Supercapacitor with a Superior Energy Density的研討論文，通訊作者為電子科技大學的陳俊松教授和新加坡國立大學的D. J. Blackwood教授。本文亮點：在本工作中，作者經過對活性物質的納米結構進行操控，以及對其化學組分進行改性，合理地規劃出一套完好的組成系統，成功制備了直接成長于泡沫鎳基底上的自支撐Ni3S2納米片陣列。該資料在三電極系統中于50 A g-1的極高電流密度下表現出的可逆容量高達1000 F g-1，而且循環20000次今后并沒有顯著的衰竭。隨后，本資料在與活性炭組成的充電機充電不對稱電容器（ASC）中表現出了高達202 W h kg-1的能量密度。
【圖文導讀】
計劃1. α- Ni(OH)2和Ni3S2的成長示意圖
第一步是一個在60°C低溫濕化學過程，以2-甲基咪唑（2-MI）為結構導向劑，使α- Ni(OH)2納米片成長在泡沫鎳基底上。第二步經過水熱硫化處理使α- Ni(OH)2轉化為為純相Ni3S2。這個過程也會將泡沫鎳基底的表層轉化為Ni3S2，以作為Ni3S2納米片與泡沫鎳基底之間的重要銜接，建立一個高效的電子分散路徑。
圖1. α- Ni(OH)2納米片（Ni(OH)2@Ni）的表征成果
α- Ni(OH)2納米片具有較高的結構柔軟度，嚴密而又規整地擺放在泡沫鎳基底上，形成了一個完好的平均厚度為1.4 μm的薄膜。
（A-C）為α- Ni(OH)2納米片的SEM 圖畫，（B）的刺進圖為α- Ni(OH)2納米片的擴大圖；
（D）為α- Ni(OH)2納米片的TEM圖畫，刺進相片顯現了含有α- Ni(OH)2納米片的膠體懸浮液具有丁達爾現象；
（E）為α- Ni(OH)2納米片的HRTEM圖畫；
（F）為無泡沫鎳支撐的α- Ni(OH)2納米片的XRD圖。
圖2. Ni3S2納米片（Ni3S2@Ni）的描摹表征成果
Ni(OH)2的二維納米結構在硫化后仍得到了很好的堅持，表現出了該資料較高的結構穩定性。改性后的Ni3S2納米片外表具有細小的皺紋狀結構。
（A-D）為Ni3S2@Ni的SEM圖畫；
（E）為從泡沫鎳基底上別離的Ni3S2納米片的TEM圖畫；
（F）為從泡沫鎳基底上別離的Ni3S2納米片的HRTEM圖畫。
Ni3S2@Ni的成份表征成果
經過水熱硫化法制備的Ni3S2@Ni具有杰出的結晶性。
（A）為Ni3S2@Ni的XRD圖，證明制備的資料為菱形Ni3S2且結晶度較高；
（B）為Ni3S2@Ni的XPS圖譜，證明Ni3S2中Ni的氧化態；
（C）為Ni3S2@Ni的拉曼光譜。
三電極系統中Ni3S2@Ni的電容功能
Ni3S2@Ni的電容量大，循環周期長，能量密度高。其功能優越于大多數已報導的鎳基資料。
（A）為不同掃描速率下的CV曲線；
（B）比照各種樣品由CV曲線計算出的電容；
（C）為不同電流密度下的恒流放電曲線；
（D）比照各種樣品由恒流放電曲線計算出的電容；
（E）為在50 A g?1下的多循環充放電功能。
Ni3S2@Ni∥AC ASC的功能
Ni3S2@Ni∥AC ASC具有優異的電容功能，且能量密度和功率密度優于已報導的硫化鎳基ASCs。
（A）為不同掃描速率下的CV曲線；
（B）為依據（A）計算出的電容；
（C）為不同電流強度下的恒流放電曲線；
（D）為依據（C）計算出的電容；
（E）為在10 A g?1下的多循環充放電功能。
（F）為當前工作與其他文獻的能量密度vs功率密度曲線的比較圖。
Ni3S2@Ni∥AC ASC的數碼相片
該設備表現出優異的結構柔韌性（非彈性），及在不同曲折狀態下其電化學功能并無顯著差異，而且其輸出能量顯著，在可穿戴電子設備中的應用潛力巨大。（A）為半固態（qSS） ASC，藍色虛線矩形標記為實際工作設備的部分；
（B）為qSS ASC處于曲折的狀態；
（C）為兩個ASCs串聯供電18個擺放形式為“NUS”綠色發光二極管。
【小結】
在這項工作中，作者經過合理地規劃兩步法，使用2-MI組成自支撐Ni3S2納米片陣列。該辦法顯著地進步了資料的電容功能，在50 A g-1的極高電流密度下，表現出了1000 F g?1的可逆容量，并在20000次充放電循環今后并無顯著的衰竭。根據這種資料的充電機充電非對稱電容器在1.7 kW kg?1的功率密度下，能量密度達到了202 W h kg?1。經過以現在的研討為例，我們對未來高功能電極資料的規劃供給了一個合理的方向。
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