广东海洋大学张守俊、孙银，Vaccum：微波辅助工艺助力氧缺陷型MnCo2O4.5电压窗口拓宽用于构筑全固态超级电容器- 大数跨境

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广东海洋大学张守俊、孙银，Vaccum：微波辅助工艺助力氧缺陷型MnCo2O4.5电压窗口拓宽用于构筑全固态超级电容器

科学材料站

2024-04-26

导读：广东海洋大学张守俊、孙银：微波辅助工艺助力氧缺陷型MnCo2O4.5电压窗口拓宽用于构筑全固态超级电容器

研究背景

随着微型化、便携化和柔性电子设备的兴起，对具有高功率密度、高能量密度、长期稳定性和柔性要求的能量存储和转换设备的需求日益强烈。在各种能量存储系统中，超级电容器由于其高功率密度、长期耐久性和高安全性等优点而被视为有前途的能量存储设备。然而，超级电容器的能量密度不尽人意已经成为限制其广泛应用的瓶颈问题。作为超级电容器的核心，电极材料在其性能中起着决定性作用。电极材料的固有特性，包括形态、尺寸、孔隙度、导电性、功函数等，显著影响其电位窗口和比容量，直接决定了超级电容器的能量密度。先前报道的工作广泛集中在调控电极材料的性质上。

作为重要的二元电极材料，由于其丰富的氧化态和Mn和Co金属阳离子的协同作用，MnCo₂O_4.5已被广泛获得并应用于能量存储应用中。然而，MnCo₂O_4.5的相对低导电性、内在特性的调节不易以及狭窄的操作电位窗口使得难以实现高理论比容量，限制了其进一步广泛应用于高能量密度超级电容器。

文章简介

为了实现超级电容器的高能量密度并满足其柔性使用要求，广东海洋大学张守俊、孙成琪副教授课题组通过省时的微波辅助水热法成功在活性碳布（a-CC）软基底上制备了无粘合剂、富氧空位的MnCo₂O_4.5高结晶多孔纳米片。得益于微波辅助下MnCo₂O_4.5中氧空位和独特的多孔纳米片结构，有效减少了“死区”，提供了大的间隙空间、高表面积和良好的导电性，有效增强了电化学利用率和稳定性，并增加了比容量。因此，MnCo₂O_4.5/a-CC电极表现出高比容量（1 A g^-1时为522.7 C g^-1）和令人满意的长期稳定性（10 A g^-1时5000个循环后保持87.6%的容量）。更为重要的是，所获得的MnCo₂O_4.5电极的稳定电位窗口扩展到1.05 V（0-1.05 V vs. Hg/HgO），远超过了目前所报道的MnCo₂O_4.5基电极材料的电位窗口（电势窗口通常低于0.75 V），更宽的稳定电位窗口有利于实现超级电容器设备的高能量密度。

组装的MnCo₂O_4.5/a-CC//AC全固态非对称超级电容器在1025 W kg^-1时表现出高能量密度（30.8 Wh kg^-1），具有优异的机械柔性和长期耐久性。这些结果有效展示了富氧空位的MnCo₂O_4.5多孔纳米片在柔性可穿戴超级电容器中的应用前景。相关研究成果以Microwave-assistance boosted voltage window in oxygen-deficient MnCo₂O_4.5for flexible asymmetric supercapacitors为题在线发表于国际期刊Vaccum。广东海洋大学青年教师孙银为论文第一作者，广东海洋大学张守俊副教授、大连海事大学王昕宇副教授为共同通讯作者。

图文介绍

Fig. 1 Schematic diagram of the preparation of MnCo₂O_4.5porous nanosheets on carbon clot

Fig. 2 (a) UPS spectrum, (b) XPS survey spectrum, (c) C 1s, (d) K 2p, (e) Mn 2p, (f) Co 2p, (g) O 1s high-resolution spectrum and (h) EPR curve of MnCo₂O_4.5.

Fig. 3 (a-c) SEM images, (d) EDS spectrum (Inset: the corresponding content table), and (e, f) TEM images of MnCo₂O_4.5.

Fig. 4 (a) CV curves at different scan rates, (b) q*^-1 vs. v1/2 plot, (c) the decoupled CV curve at 3 mV s^-1, (d) the proportion histogram of capacitive contribution from 1 to 20 mV s^-1, (e) GCD curves at diﬀerent current densities, (f) specific capacity vs. current density, (g) Nyquist spectra, and (h) cyclic performance of MnCo₂O_4.5.

Fig. 5 (a) Schematic diagram for designed all-solid-state asymmetric supercapacitor. (b) CV curves collected of MnCo₂O_4.5/a-CC and AC electrodes at 20 mV s^-1. (c) CV curves in various potential windows at 20 mV s^-1. (d) CV curves at different scan rates, (e) GCD curves at diﬀerent current densities, (f) Ragone plot, (g) CV curves at different bending states at 20 mV s^-1, and (h) cyclic performance of the assembled all-solid-state asymmetric supercapacitors device (Inset in 5(h) shows the LED with “AAS” pattern lighted by two devices in series).