【原】上海理工《JMST》：一步超声喷涂法成功制备层状结构复合电极！

当今能源消耗和污染问题日益严峻，开发清洁可再生能源是可持续发展的重要策略。超级电容器因高功率密度、优异的可逆性、快速充放电和长寿命等优点，成为有前途的大功率储能器件备受关注。然而，高成本和低能量密度限制了广泛应用。为了克服这些障碍，最有效的方法之一是开发低成本耐用的电极材料。石墨烯作为电极材料具有优异的电化学和热稳定性。而单独应用无法满足实际需求。石墨烯常与活性金属氧化物杂化，进一步提高可及表面积，促进电解质离子扩散。其中，NiCo₂O₄因其理论容量高、无毒、成本低、导电性优越而受到广泛关注，制备的NiCo₂O₄/还原氧化石墨烯(rGO)杂化材料，具有良好的超电容性能，但大多数以粉状形式产生，在电极制备中需要聚合物粘合剂，这会增加电阻。因此无粘结剂的NiCo₂O₄/rGO复合电极的开发对应用超级电容器十分重要。

 

上海理工大学的研究人员开发出一种简便的一步超声喷涂法，在泡沫镍上制备出大面积NiCo₂O₄/rGO复合电极。无粘结剂NiCo₂O₄/rGO复合材料具有多孔、层状结构，在碱性电解质中表现出较高的比电容和良好的速率性能。相关论文以题为“Scalable fabrication of NiCo₂O₄/reduced graphene oxide composites by ultrasonicspray as binder-free electrodes for supercapacitors with ultralong lifetime”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https:///10.1016/j.jmst.2021.05.040

以石墨粉为原料，采用改进的Hummers法合成氧化石墨烯(GO)。将所得的氧化石墨烯分散到去离子水中，得到浓度为0.7 mg/mL的氧化石墨烯水溶液。按1:2的比例溶解Ni(NO₃)₂·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O，将混合的悬浮液超声30min得到金属盐溶液，加入GO分散体再超声30min，得到混合前驱体溶液。泡沫镍(1cm×1cm，用乙醇和去离子水在超声波浴中仔细清洗)放置在热板上作为基材，用超声喷涂系统进行喷涂，前驱体溶液以0.6mL/min的速度进料，在1.5W的超声功率下雾化。

 

研究发现杂化材料均匀地覆盖在Ni表面，无任何剥离，并呈现出石墨烯的褶皱特征。观察截面发现，该截面为多孔层状结构，这为离子扩散提供了有效通道，有利于电化学性能的提高。复合材料中NiCo₂O₄和rGO的重量百分比分别为85.4%和8.5%。

图1 超声喷涂法制备NiCo₂O₄/rGO的示意图

 

图2 原料比1:15制备的NiCo₂O₄/rGO的显微组织图

 

图3 NiCo₂O₄/rGO复合材料的结构优势

 

图4 NiCo₂O₄/rGO复合材料在1:15原料比下的定量电容分析

 

本研究采用一步超声喷涂法成功制备了具有层状结构的NiCo₂O₄/rGO电极。由于电活性NiCo₂O₄具有分离石墨烯纳米片的独特效果，且活性材料与电极紧密粘附，NiCo₂O₄/rGO复合电极具有高达871 F/g的比电容和75%的电容保持率。在电流密度为20 A/g的条件下，经过3万次循环后，循环稳定性达到134%。在功率密度为794.7W/kg时，组装的NiCo₂O₄/rGO//ACASC在1.6 V的电位窗口内稳定运行，比电容为85 F/g，最大能量密度为30.2Wh/kg。NiCo₂O₄/rGO复合材料具有良好的电化学性能，是一种很有前途的电化学储能电极材料。（文：破风）

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