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探索收获为解决电化学储能电极的厚度限制提供一种新的解决方案热纳米压印制备-

发布时间:2020-10-01  分类:科技新闻  作者:dadiao  浏览:14

原标题:探索与收获!为解决电化学储能电极厚度限制提供新的解决方案:热纳米压印光刻


来源:南京大学,


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近日,现代工程与应用科学学院唐教授和葛海雄教授课题组合作,通过优化电极结构设计,采用热纳米压印制备技术结合微电流电沉积,成功获得了一种高容量、高倍率、长循环寿命的新型阵列结构电极,为解决电化学储能领域电极厚度受限的问题提供了新思路和解决方案。相关成果发表在《《美国化学学会纳米》》杂志上,标题为“具有超快离子/电子传输的2dmco2s4


金属垂直排列有序阵列用于厚度无关的伪电容储能”。随着柔性电子器件的快速发展,柔性超级电容器在柔性显示、便携式储能、可穿戴电子设备等方面具有巨大的应用潜力,受到国内外工业界和学术界的高度重视。开发高性能柔性电极和不对称全固态器件是提高超级电容器能量密度和扩大其应用的关键。伪电容器电极材料的储能是基于电极/电解质界面附近的可逆法拉第氧化还原反应,表现出比双层碳材料高得多的电容。一般电解质在材料中的扩散深度只有20 nm,剩余的材料体积被认为是“死体积”,不参与电化学储能。通过提高离子扩散速率、有效体积和电子传输效率,伪电容器超级电容器有望将能量密度提高到与二次电池相同的水平。但由于其电导率低,“死体积”比高,特别是电子/离子传输距离长,其实际容量远低于理论值。


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图1。新型阵列电极电化学储能过程中离子和电子的传输路径。


二维纳米材料在获得高容量电化学储能方面具有优势,可以有效避免在基底表面堆积,但报道的纳米阵列结构往往致密无序;特别是储能无法摆脱对电极厚度的依赖,当厚度达到或超过10 m时更为突出!离子在电极中的缓慢运动导致电化学存储容量在高充放电速率下快速衰减。


为了解决上述问题,研究小组提出了利用两个垂直离子通道和快速电荷存储/传输来加速电化学反应动力学的观点,并设计了全新的阵列电极结构。如图1所示,该新型电极由以垂直顺序排列的柱状阵列组成,并且伪电容器NiCo2S4纳米片生长在具有高纵横比的柱状集电器上。电极有两种垂直的离子通道,一种是相邻柱间距离大,另一种是由“直立”超薄NiCo2S4纳米片形成的多孔纳米通道。前者在电化学储能过程中像“高速公路”一样为电解质离子提供无障碍通道,而后者可以大大加快离子在整个电极中的扩散速度。此外,基于纳米压印制造工艺,柱状集流体和底部镍板是一体的,没有电荷转移界面;纳米NiCo2S4不仅调节表面阳离子的氧化还原反应,而且将活性位点产生的电子快速转移到导电集流体中。这种设计可以促进离子扩散,增加有效接触面积,缩短法拉第电荷转移距离。


为了实现上述目标,该团队首次利用低成本的大规模热纳米压印技术,制备出高深宽比、垂直有序排列的Ni阵列,然后通过微电流电沉积,在其表面生长出垂直于立柱弧面的超薄纳米片。产品如图2c-d所示.只有5纳米厚的活性二维过渡金属硫化物二氧化硅“站立”在表面


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该团队制备的新型MCo2S4/Ni阵列电极在1a·g-1的电流密度下容量为486.9mahg1,高于文献报道的NiCo2S4电极材料。当电流密度增加到100安·克-1时,电极容量保持在150毫安·克-1。特别是在10a·g-1的高电流密度下,经过5000次充放电循环后,电容损失仅为3.8%,纳米片涂层和纳米孔微结构的形貌没有明显变化,证明了电极优异的循环稳定性。原因是电极结构有效地固定了二维纳米片的分布和孔结构,独立的微集流体和交叉的二维NiCo2S4片大大降低了充放电过程中氧化还原反应引起的材料体积变化。


由于独特的阵列结构,电极表现出不同于其他电极的优异柔韧性。在大弯曲条件下,电化学容量不降低,略有增加。以NiCo2S4/Ni电极为正极、石墨烯泡沫为负极的不对称全固态器件的能量密度高达66.5 Wh·kg-1,高于文献报道的NiCo2S4基不对称器件的能量密度。


图3。电容保持率为3。电流密度为10a·g-1的5000次充放电循环后的MCo2S4/Ni阵列单电极。图示为循环后的SEM。不同弯曲角度下电极的CV曲线。该研究工作为解决电化学储能领域中电极厚度受限的问题提供了一种新的途径。烫印纳米技术具有产量高、成本低、工艺简单等优点,是大规模器件制备的重要技术。特别是在烫印纳米制备过程中,镍阵列可以像模具一样重复使用。本研究证实了这种新制备方法的有效性,并将其推广到其他伪电容材料,为高性能柔性伪电容电极的设计和大规模制备提供了有效途径。


郝宗斌,南京大学现代工程与应用科学学院17级博士生,是本文的第一作者,唐教授和葛海雄教授是本文的合著者。本研究的设计和完成得到了陈延峰教授和崔余霜老师的精心指导和大力支持,南京大学是本文的唯一单位。本研究得到了国家重点R&D项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点R&D项目等的资助。同时,感谢固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科技协同创新中心的支持。