彭尚龙&曹国忠：基于低结晶度氧空位富足Co3O4电极的柔性高能量密度超级电容器

【研究背景】

Co₃O₄作为超级电容器正极材料，由于本身具有较高理论容量(3560 F g^-1)，和简单的制备方法，引起了研究人员的广泛关注。然而，在实际应用中，Co₃O₄很难达到它的理论容量，文献报道它的实际容量在300-1000 F g^-1之间。造成这种理论与实际值相差较大的主要原因是Co₃O₄本身是一种氧化物，极大地限制了电子的快速传输，造成相对较低的电化学活性以及相对迟缓的反应动力学。此外，当晶粒较大的Co₃O₄用作超级电容器电极材料时，电解液是很难进入材料内部参与反应，而只是单纯在表面进行氧化还原反应，这造成了电极材料极低的利用率，使得相对容量急剧下降。为了提高Co₃O₄的导电性，许多研究者通过在Co₃O₄表面进行还原处理得到一定的氧空位，使得它的导电性得到了较大的提升，但是材料的利用率却没有得到提高，因此，它的实际容量仍然较低，尤其是当电极的负载量较大时。

为了解决上述两个问题，并获得高性能Co₃O₄电极材料，兰州大学物理科学与技术学院彭尚龙教授和曹国忠教授合作开展了相关的研究工作，其研究成果以Low Crystalline Oxygen-vacancy-rich Co₃O₄Cathode for High-Performance Flexible Asymmetric Supercapacitors为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。该研究工作通过钯诱导得到低结晶度和具有氧空位富足的Co₃O₄纳米结构，并将其用作超级电容器电极材料。测试表明，相对于高结晶度Co₃O₄，低结晶度Co₃O₄的晶粒更小，晶格取向更杂乱，同时也引起Co₃O₄中氧空位含量的上升。使其作为超级电容器电极材料时拥有高的导电性，较小的电荷转移电阻。在1 A g^-1的电流密度下比容量可以达到1353 F g^-1，面积比容量高达4.6 F cm^-2。基于此电极材料组装了柔性非对称器件(Pd-Co₃O₄//碳布)，并将其制作成手表腕带，使得手表可长时间工作，展示了很好的应用前景。

【图文导读】

图1 Co₃O₄和Pd-Co₃O₄扫描和透射图

（a-e）Pd-Co₃O₄扫描和透射图；

（f）Co₃O₄透射图；

（g-j）Pd-Co₃O₄元素分布图。

图2 Co₃O₄和Pd-Co₃O₄XRD和XPS图谱

（a）XRD图谱；

（b）XPS光谱；

（c-f）XPS元素精细谱。

图3Co₃O₄和Pd-Co₃O₄电化学性能测试

（a）电化学阻抗测试；

（b）循环伏安测试；

（c）恒流充放电测试；

（d）不同电流密度下容量；

（e）循环稳定性测试；

（f）机理解释图谱。

图4 非对称器件(Pd-Co₃O₄//碳布)电化学性能测试

（a） 不同电压窗口下的循环伏安测试；

（b）恒流充放电测试；

（c）倍率性能；

（d）循环稳定性；

（e）能量密度和功率密度；

（f）柔韧性测试和实用性测试。

【小结】

为了提高Co₃O₄电极材料的导电性，以及电极材料的利用率，研究团队通过引入金属Pd得到了一种低结晶度氧空位富足的Co₃O₄电极，使得其比容量得到了极大的提高，达到了1353 F g^-1，面积比容量高达4.6 F cm^-2；基于此电极材料组装的非对称柔性超级电容器表现出良好的柔韧性和实用性。

【文献链接】

Low Crystalline Oxygen-vacancy-rich Co₃O₄Cathode for High-Performance Flexible Asymmetric Supercapacitors, (J. Mater. Chem. A,2018,DOI：10.1039/C8TA06349D)

彭尚龙教授研究团队网页：http://phy.lzu.edu.cn/lzupage/2013/04/08/N20130408133737.html

本文由彭尚龙教授课题组供稿，特约编辑吴禹翰审核发布。

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