重庆大学物理学院Nano Energy：通过增强和匹配正负极材料性能实现高性能非对称Mn(OH)2//Fe2O3超级电容器- 大数跨境

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重庆大学物理学院Nano Energy：通过增强和匹配正负极材料性能实现高性能非对称Mn(OH)2//Fe2O3超级电容器

科学材料站

2020-09-29

导读：该工作报导了用生长了多层非晶Mn(OH)2纳米片的自支撑碳布电极作为ASC的阴极，并与生长了多孔Fe2O3纳米颗粒自支撑碳布阳极（Fe2O3@AC）进行组装，制作出具有优异的电荷储存能力，循环稳定性以

文章信息

通过增强和匹配正负极材料性能实现高性能非对称Mn(OH)2//Fe2O3超级电容器

第一作者：李济恩

通讯作者：韩向宇*，胡陈果*

单位：重庆大学物理学院

研究背景

与传统的储能装置相比，超级电容器具有循环稳定性好、功率密度高、充电速度快等优点。然而，超级电容器相对较低的能量密度限制了其在各种电子器件中的实际应用。

根据能量密度公式E=1/2 CV2，通过增大电容（C）和工作电压（V）可提高能量密度。一种提高输出电压的方法是在水系电解液中使用不同的电极材料组装成非对称超级电容（ASC）。通过组装工作在不同电位窗口的阴极和阳极，可以有效地拓宽超级电容器的工作电压。

此外，采用高导电性、低粘度的水系电解液可以提高ASC的电容量。然而，ASC的电荷储存容量在很大程度上取决于阴极和阳极的性能，因此，制备具有良好电化学性能和分开的稳定电位窗口的阴极和阳极至关重要。

文章简介

近日，重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在国际著名期刊Nano Energy (影响因子：16.602) 上发表题为“High-performance asymmetric Mn(OH)2//Fe2O3 supercapacitor achieved by enhancing and matching respective properties of cathode and anode materials”的研究工作。

该工作报导了用生长了多层非晶Mn(OH)2纳米片的自支撑碳布电极（Mn(OH)2@AC）作为ASC的阴极，并与生长了多孔Fe2O3纳米颗粒自支撑碳布阳极（Fe2O3@AC）进行组装，制作出具有优异的电荷储存能力，循环稳定性以及功率性能的非对称超级电容器。

该文章第一作者为重庆大学物理学院的博士生李济恩

青年教师韩向宇和胡陈果教授为本文共同通讯作者

本文要点

要点一：非对称Mn(OH)2//Fe2O3超级电容器制作过程

作者首先通过对碳布进行预处理，使其表面具有羟基等氧化官能团，然后通过一步简单的电沉积以及水热法，分别在活性碳布上生长了多层非结晶态的Mn(OH)2纳米片以及多孔Fe2O3纳米颗粒。这两种自支撑碳布电极均具有优异电化学性能的，基于Mn(OH)2@AC作为阴极，Fe2O3@AC作为阳极组装成的非对称超级电容器，呈现出了优异的电荷储存能力。

图一：Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC复合材料的制备以及用作ASC电极的示意图。

要点二：Mn(OH)2纳米片的多层低结晶特性

作者首先通过扫描电镜表征出阴极材料的表面形貌为纳米片组成的网状结构。然后通过透射电镜进一步表征了其微观结构。通过透射电镜可以发现Mn(OH)2纳米片的厚度大约在2nm左右，在高放大倍率下没有明显的晶格条纹，与XRD的结果吻合，证实了该纳米片的非结晶状态，并且发现了其多层的结构。同时作者也通过BET和计算材料的电化学活性比表面积等方法，进一步证实了材料表面的多孔性。Mn(OH)2纳米片的多层非结晶网状结构，为离子的吸附扩散提供了丰富的位点。

图二：Mn(OH)2@AC的电镜表征图

要点三：Fe2O3纳米颗粒的多孔特性

作者同样通过电镜等测试表征了Fe2O3纳米颗粒阳极材料的多孔特性。通过低中放大倍率下的透射电镜以及扫描透射电镜图，可以很清晰的观察到Fe2O3纳米颗粒上的孔洞。然后作者通过BET测试进一步对Fe2O3纳米颗粒的多孔结构进行了表征。由于该材料的多孔洞结构，大大的增加了材料的比表面积。

图三：Fe2O3@AC的电镜表征图

要点四：基于CV测试探究了Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC电极不同的电荷储存行为

首先作者通过小扫速下的CV测试，探究了Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC电极的电荷储存行为。可以发现在小扫速下Mn(OH)2@AC阴极是扩散控制起主导作用，而Fe2O3@AC阳极是表面控制起主导作用。并且通过比较不同扫速下对应的电容值，可以发现两者的电容值基本以20 mV s-1为分界线，在大于20 mV s-1时，电容控制起主导作用，此时Fe2O3@AC的电容值较大。

而随着扫速进一步减小，此时扩散控制起到主导作用，Mn(OH)2@AC的电容值较大。这就为两者能够组装成性能优异的非对称电容器提供了可能。

作者再进一步通过调控阴阳极的面积比来进行电荷匹配，最后组装出了高性能ASC。

图四：基于CV测试对比了Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC阴阳极不同的电极行为。

要点五：非对称Mn(OH)2//Fe2O3超级电容器具有优异性能.

基于具有优异性能的Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC阴阳极，并且通过调控面积进行电荷匹配，组装出了具有优异性能的ASC。

该Mn(OH)2//Fe2O3 ASC器件在14.239 mW cm−3功率密度下时具有5.125 mWh cm−3的高能量密度，当功率密度达到123.57 mW cm−3时，仍然保持了3.573 mWh cm−3的能量密度。

除了具有良好的电荷储存能力与倍率性能外，还表现出良好的循环稳定性，8000次循环后电容值保持了初始值的97.1%。

图五：基于Mn(OH)2@AC和Fe2O3@AC阴阳极的ASC电化学性能测试。

结论

在本工作中，采用一步电沉积和水热法分别制备出生长了多层非晶态Mn(OH)2纳米片和多孔Fe2O3纳米颗粒的自支撑活性碳布阴，阳极。Mn(OH)2@AC阴极由于其独特的非晶态网状结构，在（0–1）V下具有3103 mF cm−2的最大比电容，而Fe2O3@AC阳极由于其多孔结构的大比表面积，在（-1-0）V下具有1472 mF cm−2的最大比电容。

为了通过匹配Mn(OH)2阴极和Fe2O3阳极的性能获得高性能的ASC，通过小扫速下的CV测试探究了两者的电荷储存行为。Mn(OH)2//Fe2O3 ASC器件在1M LiNO3水溶液电解质中达到了2 V工作电压，在功率密度为14.239mW cm−3时，能量密度达到5.125MWh cm−3，8000次循环后电容值保持97.1%。

由于简易的制作过程和出色的电化学性能，该Fe2O3@AC阳极和Mn(OH)2@AC阴极是非常有前景的储能器件电极。

文章链接

High-performance asymmetric Mn(OH)2//Fe2O3 supercapacitor achieved by enhancing and matching respective properties of cathode and anode materials

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105410

通讯作者介绍

胡陈果教授，博士生导师，

享受国务院特殊津贴。博士毕业于重庆大学，曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事表面界面物理及相关功能器件基础物理和应用等方面的研究，特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新的工作。共发表SCI 论文270 多篇，被引用10000 多次 (Web of Science)，其中，Science Advances (2), Science Robotics (1), Nature Communication (4), H-因子53。主持国家自然科学基金6项，省部级基金4项，863子课题1项。授权发明专利20 余项，获省部级自然科学一等奖和二等奖各1 项（排名第一），获得2017年中国产学研合作创新成果优秀奖。担任 Nano Energy副主编，Nano-Micro Letters 和Nano Materials Science编委。

第一作者介绍

李济恩，重庆大学物理学院在读博士生，

导师为胡陈果教授。研究方向为电化学储能材料的合成与制备。目前已经在Nano Energy, Nano Research上一作发表文章3篇。