詹红兵《ACS Nano》氮化钒量子点改性碳笼实现超快钠离子电容器

科技 08-20 来源：高分子能源

钠离子混合电容器 (SIHC) 的电池型阳极和电容型阴极之间的动力学不兼容严重阻碍了它们的整体性能输出。在此，我们通过与锚定在一维 N/F 共掺杂碳纳米纤维笼杂化物 ( VNQDs@PCNFs-N ) 中的量子级氮化钒 (VN) 纳米点耦合来构建 SIHCs 器件/F）作为独立阳极，相应的活化N/F共掺杂碳纳米纤维笼（APCNFs-N/F）作为阴极。VN量子点与N/F共掺杂一维导电碳笼的强耦合有效地促进了离子/电子传输和嵌入-转化-脱嵌反应，确保快速钠存储以克服上述动力学不相容性。此外，密度泛函理论计算有力地表明，VNQDs@PCNFs-N /F 配置中丰富的活性位点可以很好地提高 Na +吸附/反应活性，这将促进“内在”和“外在”赝电容，并进一步改善阳极动力学。因此，组装的 SIHCs 装置可以实现 157.1 和 95.0 Wh kg–1的高能量密度在功率密度分别为 198.8 和 9100.5 W kg –1时，具有超过 8000 次循环的超长循环寿命。该工作进一步验证了动力学兼容电极设计策略对金属离子混合电容器的可行性。

图文简介

(a) 合成过程示意图。(b, c) FESEM, (d, e) TEM, (f) HRTEM, (g) HAADF-STEM 和VNQDs@PCNFs-N /F 的 EDS 元素映射图像。

DFT 计算。(a) 分别在VN@C -N/F、VN@C 、C-N/F、C-N、C-F 和 C的不同活性位点的 Na 离子吸附能。(b) C-N/F、C-N 和 C-F 的状态密度 (DOS)。(c) VN@C –N/F, (d) VN@C , (e) C–N/F, (f) C–N, (g) C–F的局部费米软度的顶面和侧面说明, 和 (h) C. (i) 优化的 C-N/F (i1)、C-N (i2)、纯 C (i3) 和 VN (i4) 的顶视图以及横截面电荷密度的等值面. (j) 纯 C (j1)、C-N (j2)、C-F (j3) 和 C-N/F (j4) 的电荷密度轮廓的二维投影。(k) VN@C - N/F、VN(k3) 和 C(k4) 的VN(k1) 和 C-N/F (k2) 的电荷密度轮廓的二维投影。

(a) VNQDs@PCNFs-N /F 的 CV 曲线。(b) VNQDs@PCNFs-N /F、VN@CNFs和 PCNFs-N/F 电极的循环性能和 (c) 倍率能力。(d) VNQDs@PCNFs-N /F 与之前的 SIB 中的钒基材料或氮化物的速率比较。(e) 1.0 mV s –1和 (f) 在不同扫描速率下的电容贡献，以及 (g) VNQDs@PCNFs-N /F 电极在 5 A g –1下的长期循环稳定性。(h) VNQDs@PCNFs-N /F 与其他钒基材料的长寿命循环比较。

在放电/充电初始循环期间，不同电化学状态下 (a) V 2p、(b) N 1s 和 (c) C 1s 的非原位XPS 光谱变化。(d) VNQDs@PCNFs-N/F 和VN@CNFs在 0.1 A g -1下第 60 个循环后的 Na +扩散系数。(e) VNQDs@PCNFs-N /F 电极在放电初始循环期间在 0.1 A g –1和非原位XRD 模式下的充电/放电曲线和 (f-h) HRTEM、HAADF-STEM 图像和 EDS 元素映射/收费。

(a) 组装好的VNQDs@PCNFs-N /F||APCNFs-N/F 器件示意图。(b) CV 曲线，(c) 充电/放电曲线，(d) Ragone 图比较，以及 (e) VNQDs@PCNFs-N /F||APCNFs-N在 1 A g –1下的长期循环稳定性/F 装置。插图：由我们的设备供电的 LED 和风车的数字图片。

综上所述，我们成功构建了一种高性能的SIHC器件，该器件在独立式电池型阳极和电容器型阴极之间具有良好的兼容性。一维纳米笼内的量子点有效地克服了质量/电子传输迟缓并实现了阳极动力学的改善。N/F共掺杂碳纳米笼具有高导电网络和丰富的活性位点，可提供高度可逆的Na+存储和大量的阴离子吸附/解吸。因此，混合器件在能量密度、功率密度和长循环性方面表现出较好的电化学性能。这项工作揭示了在混合电容器中很好地匹配阳极和阴极之间的动力学和容量的可行策略。