고성능 슈퍼커패시터를 위한 조정 식각 및 침전 경로를 통한 입방정 Ni(OH)2 나노케이지의 합성

초록

케이지형 구조의 합리적인 설계는 전이금속 수산화물의 용량성 성능을 향상시키는 효과적인 방법이다. 이 작업에서, CEP(coordinating Etching and Precipitating) 경로를 통해 입방형 Ni(OH)2나노케이지(Ni(OH)2NCs)가 구성되었습니다. Ni(OH)2 NC는 활성 부위가 풍부하고 확산 채널이 충분하며 전자 전달 속도가 빨라 전기화학적 역학에 도움이 됩니다. 슈퍼커패시터용 양극으로서 Ni(OH)2 NCs/Ni foam(NF) 전극은 539.8 F g⁻¹ 의 높은 비정전용량을 나타냅니다. 1 A g⁻¹ 에서 이는 파손된 Ni(OH)2 NCs/NF(Ni(OH)2 BNCs/NF, 87.3 F g⁻¹ )보다 훨씬 큽니다. 1 A g⁻¹ 에서 ). 또한 Ni(OH)2 NCs/NF 전극은 2000 주기 후에도 초기 비정전용량의 96.9%를 유지합니다. 비대칭 슈퍼커패시터(ASC) 장치는 Ni(OH) 2 NCs/NF 및 활성탄(AC)/NF를 양극 및 음극으로 각각 사용하여 조립되었습니다. ASC는 23.3 Wh kg⁻¹ 의 더 높은 에너지 밀도를 나타냅니다. 800 W kg⁻¹ 의 전력 밀도에서 Ni(OH)2 BNC/NF(3 Wh kg⁻¹ )와 비교 880 W kg⁻¹ 에서 ). 이러한 결과는 Ni(OH)2 NCs/NF 전극이 에너지 저장 분야에서 잠재적인 응용을 제시한다는 것을 보여줍니다. 케이지와 같은 구조의 설계는 고성능 전극 재료를 달성하는 효과적인 방법을 제시합니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

환경오염과 에너지 위기라는 과제를 극복하기 위해 화석연료를 대체할 안전하고 재생 가능하며 청정하고 고성능인 에너지 저장 장치의 개발이 크게 요구되고 있습니다[1, 2]. 슈퍼커패시터는 고출력(배터리의 10~20배), 고율 성능, 짧은 충전시간, 친환경성 등 이러한 문제를 해결할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있다[3, 4]. 전기 이중층 커패시터(EDLC)와 의사 커패시터(PC)는 일반적으로 연구되는 두 가지 유형의 슈퍼 커패시터입니다. 거기에서 전이 금속 산화물/수산화물 전극의 표면/근처에서 산화환원에 의해 제어되는 PC는 항상 EDLC보다 높은 에너지 밀도를 가지며 이 분야에서 뜨거운 문제가 되었습니다[5,6,7,8,9,10]. 대표적인 전이금속 수산화물로 Ni(OH)₂ Ni³⁺ 의 산화환원 쌍으로 인해 PC용 고성능 전극 재료로 보고되었습니다. /Ni²⁺ 알칼리성 매체에서 [11, 12]. 그럼에도 불구하고 Ni(OH)₂ 전극 재료의 불충분한 활용으로 인해 항상 이론값보다 훨씬 낮습니다.

동역학에서 영감을 받아 전극 재료의 용량 성능은 미세 구조 및 형태 설계를 통해 조정될 수 있습니다. Ni(OH)₂ 합성에 엄청난 노력을 기울였습니다. 고효율 저장 성능을 달성하기 위해 고유한 미세 구조를 갖는 전극 재료[13, 14]. 여기에 케이지 형태의 중공 다공성 구조를 구축하는 것이 고성능 전극을 얻기 위한 효과적인 방법으로 간주되었다. 특히, 케이지와 같은 구조는 내부 및 외부 표면적을 최대한 활용할 수 있고 충분한 산화환원 활성 사이트를 제공하여 비정전용량을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 다공성 쉘은 전해질의 확산 경로를 제공하여 전극의 가역성에 유리하여 우수한 사이클링 안정성 및 고속 성능을 제공합니다. 전자 전달 역학과 관련하여 나노 크기의 얇은 껍질은 전자의 전달 경로를 개선하고 전자 전달 속도를 가속화합니다[15, 16]. 따라서 Ni(OH)₂의 더 높은 정전 용량 성능 케이지와 같은 중공 다공성 구조의 설계를 통해 얻을 수 있습니다.

템플릿화된 화학 공정은 케이지와 같은 아키텍처를 준비하는 데 일반적으로 사용되는 방법입니다[17, 18]. 최종 제품은 템플릿의 기하학적 모양을 정확하게 복제하고 좁은 크기 분포로 잘 정의된 형태를 유지할 수 있습니다[19, 20]. 이 작업에서 Ni(OH)₂ NC는 입방 Cu₂를 사용하여 제작되었습니다. 티오황산염을 통한 희생 템플릿으로서 O 결정은 조정 에칭 및 침전(CEP) 원리와 관련되었습니다. 합성된 Ni(OH)₂ NCs/NF는 슈퍼커패시터 및 Ni(OH)₂용 양극으로 사용되었습니다. BNCs/NF는 케이지와 같은 아키텍처의 구조적 이점을 확인하기 위해 대조 샘플로 도입되었습니다. Ni(OH)₂ NCs/NF는 539.8 F g⁻¹ 의 높은 비정전용량을 나타냅니다. 1 A g⁻¹ 에서 , Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC/NF(87.3 F g⁻¹ 1 A g⁻¹ 에서 ). 비대칭 슈퍼커패시터(ASC) 장치는 23.3 Wh kg⁻¹ 의 높은 에너지 밀도를 나타냅니다. 800 W kg⁻¹ 에서 , 이 값은 Ni(OH)₂의 값보다 훨씬 큽니다. BNC/NF//AC(3 Wh kg⁻¹ 880 W kg⁻¹ 에서 ). 결과는 Ni(OH)₂ NCs/NF 전극은 슈퍼커패시터에서 매력적인 전망을 보여줍니다. 케이지 형태의 중공 다공성 구조를 설계하는 방식은 센서, 촉매 등 다른 분야에서도 의미가 있다.

방법/실험

Cu₂의 준비 O 템플릿

입방 Cu₂ O 결정은 우리의 이전 보고서[21]에 따라 합성되었습니다. 50 밀리리터의 NaOH 용액(2 M)을 교반된 CuCl₂에 첨가했습니다. ·2H₂ O(500 ml, 0.01 M) 55 °C에서 3 분 이내. 30분 동안 교반한 후, 50 mL 0.6M 아스코르브산 용액을 적가하였다. 최종 샘플을 3 시간 후에 원심분리하고 진공에서 건조했습니다.

Ni(OH)의 합성₂ NC

400 mg Cu₂ O 템플릿 및 NiCl₂의 다른 투여량 400 mL 혼합 물과 알코올이 들어 있는 1000mL 비커에 가루를 부었습니다(부피 비율 =1:1). Cu₂의 질량비 O 템플릿 및 NiCl₂ 전력은 5:1, 2.5:1, 1.67:1 및 1.25:1(NiCl₂에 해당)로 제어됩니다. 용량은 각각 80 mg, 160 mg, 240 mg 및 320 mg입니다. 10분 동안 초음파 처리한 후, 13.2mg 폴리비닐 피롤리돈(PVP)을 교반하면서 용액에 분산시켰다. 30 분 후, 160 mL 1 M Na₂ S₂ O₃ 실온에서 용액에 적가하였다. 3시간 후, 최종 생성물을 원심분리에 의해 수집하고 오븐에서 건조시켰다. Ni(OH)₂ Ni(OH)₂의 초음파 처리를 통해 BNC를 얻었습니다. 알코올에 2 시간 동안 NC(추가 파일 1:그림 S1).

재료 특성

Cu Kα선과 ESCALAB 250Xi X선 광전자 분광법(XPS, USA)을 이용한 X선 분말 회절법(XRD, Rigaku D/Max-2400)으로 생성물의 구조와 화학적 조성을 분석하였다. 제품의 형태는 Zeiss Gemini 300 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM)으로 조사되었습니다. 투과 전자 현미경(TEM) 관찰은 FEI F20 장치에서 수행되었습니다. Belsort-max 기기에서 비표면적 및 다공성 특성을 측정했습니다.

전기화학 측정

모든 전기화학적 측정은 Pt 호일(1 cm × 1 cm)과 Ag/AgCl(포화 KCl)을 상대 전극과 기준 전극으로 각각 사용하여 3 M KOH의 μIII Autolab 워크스테이션에서 수행되었습니다. 작업 전극은 다음 절차에 따라 구성되었습니다. 먼저 전극 재료(Ni(OH)₂ 다른 반응 시간과 Ni(OH)₂에서 얻은 NC BNCs), 아세틸렌 블랙 및 폴리테트라플루오로에틸렌(5% PTFE)을 에탄올에서 80:15:5의 질량비로 혼합하였다. 그런 다음 혼합물을 NF(1 cm × 1 cm)에 코팅하고 오븐에서 건조시켰다. 로딩 질량은 3.4 mg/cm² 로 계산되었습니다. . 전기화학적 성능은 순환전압전류법(CV), 정전류 충방전(GCD), 전기화학적 임피던스(EIS)로 조사하였다. EIS 테스트는 5 mV의 섭동 진폭으로 0.01에서 100 kHz 사이에서 수행되었습니다. 전극의 비 커패시턴스는 다음 방정식에 따라 계산되었습니다.

$$ C=\frac{I\varDelta t}{m\varDelta V} $$ (1)

나 방전 전류(A), t 방전 시간(s), ΔV 잠재적 창(V), m 는 전극 재료의 총 질량(g)입니다. ASC는 Ni(OH)₂로 준비되었습니다. NC(또는 Ni(OH)₂ BNCs)) 및 AC를 각각 양극 및 음극으로 사용합니다. AC 전극은 NF(1 cm × 1 cm)에 AC와 PTFE 바인더의 혼합물(90:10)을 코팅하여 준비했습니다. 그런 다음 두 전극을 3 M KOH에서 분리기로 함께 조립했습니다.

결과 및 토론

특성

준비된 Ni(OH)₂의 XRD 패턴 NC는 그림 1a에 기록되었습니다. 33.1°, 38.5° 및 60.2°에 위치한 관찰된 3개의 강한 피크는 육각형 β의 (100), (101) 및 (003) 결정면에 해당합니다. -Ni(OH)₂ (JCPDS 번호 14-0117) [22]. 화학적 조성을 확인하기 위해 XPS 측정을 수행했습니다. Ni, O 및 C 신호는 조사 스펙트럼에서 명확하게 관찰되어 샘플이 주로 Ni 및 O로 구성되어 있음을 나타냅니다. 그림 1c에 표시된 것처럼 873.7 eV와 856.1 eV에 집중된 신호가 17.6 eV의 간격으로 위치합니다. Ni 2p_1/2에 기인할 수 있음 및 Ni 2p_3/2 Ni²⁺ <서브>, 각각 [23, 24]. 879.9 eV 및 861.7 eV에 위치한 피크는 Ni 2p_1/2에 대한 해당 위성 신호입니다. 및 Ni 2p_3/2, 각기. 그림 1d에서 볼 수 있듯이 531.2 eV에 위치한 O1s 피크는 Ni(OH)₂에서 Ni-O-Ni 결합의 전형적인 특징을 나타냅니다. [25, 26]. 위의 논의를 바탕으로 준비된 제품은 Ni(OH)₂로 추론할 수 있습니다. 단계.

<사진>

아 준비된 Ni(OH)₂의 XRD 패턴 NC. ㄴ –d Ni(OH)₂의 XPS 스펙트럼 NC. ㄴ 조사. ㄷ 니 2p. d O 1s

SEM 및 TEM 관찰을 사용하여 제품의 형태적 특징을 추가로 확인했습니다. 추가 파일 1:그림 S2a는 준비된 Cu₂의 XRD 패턴을 표시합니다. O. 모든 회절 피크는 JCPDS no. 78-2076, Cu₂의 성공적인 준비 확인 O. Cu₂의 SEM 이미지 추가 파일 1의 O 템플릿:그림 S2b는 가장자리 길이가 약 500 nm인 제품의 입방체 특징을 보여줍니다. 그림 2a에서 알 수 있듯이 Ni(OH)₂ 샘플은 CEP 프로세스 후 균일하고 잘 정의된 입방체 형태를 유지합니다. Ni(OH)₂ 큐브의 가장자리 길이는 500 nm이며(그림 2b) Cu₂와 다소 비슷합니다. 오 템플릿. 그림 2b의 삽입도에서 알 수 있듯이 Ni(OH)₂의 표면은 입방체는 다량의 미세 입자로 구성되어 있으며 다공성 특성을 나타냅니다. 그림 2c의 TEM 이미지는 Ni(OH)₂의 케이지 같은 특징을 나타내는 명백한 내부 공동을 나타냅니다. 제품. 그림 2d에 표시된 것처럼 가장자리 길이는 500 nm이며 이는 SEM 관찰과 일치합니다. 또한, Ni(OH)₂의 쉘 두께 NC는 50 nm로 식별됩니다(그림 2d). SEM 및 TEM의 조사는 제품의 케이지 같은 특징을 보여줍니다. 케이지 모양의 중공 다공성 구조는 넓은 표면적과 많은 양의 확산 경로를 제공하여 대량 수송 프로세스에 유리하여 탁월한 정전 용량 성능을 제공합니다.

<그림>

아 , b 검색엔진 마케팅 및 c , d Ni(OH)₂의 TEM 이미지 NC

Ni(OH)₂의 광학 사진 및 TEM 이미지 NC는 형성 메커니즘을 실현하기 위해 다른 반응 시간에서 기록되었습니다. Fig. 3a와 같이 반응용액은 5 min에서 붉은 벽돌색을 나타내어 초기 단계에서 반응이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 그 후 용액의 색이 점차 옅어집니다. 3 h가 지나면 용액의 색이 연한 녹색으로 변하여 최종 제품의 색이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 생성물은 Cu₂의 용해로 인해 부분적으로 속이 빈 내부 공동을 나타낸다. O 템플릿은 5 분입니다. 또한 내부 Cu₂의 에칭 O는 적절한 확산 역학으로 인해 코너에서 우선적으로 발생했습니다. 내부 Cu₂ O 결정은 3 h에서 완전히 사라질 때까지 계속 용해됩니다. 개략도는 Scheme 1에 나타나 있습니다. 일반적으로 Ni(OH)₂의 형성 메커니즘 NC는 다음과 같습니다(Eq. (2)):

$$ {\mathrm{Ni}}^{2+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 $$ (2) <그림>

아 다른 반응 시간에서의 반응 시스템의 광학 사진. ㄴ 다른 반응 시간에서 얻은 제품의 TEM 이미지

<그림>

형성 과정의 개략도

Ni²⁺ 식의 이온 (2) 흡수된 Ni²⁺ Cu₂ 표면에 O 결정(1단계). 오^- 식의 이온 (2) Cu₂의 부식으로부터 해방 O 결정(식 (3)) 및 S₂의 가수분해 O₃ ^2- (식 (4)).

$$ {Cu}_2O+{xS}_2{O_3}^{2-}+{H}_2O\to {\left[{Cu}_2{\left({S}_2{O}_3\right)}_x \right]}^{2-2x}+2{OH}^{-} $$ (3) $$ {\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+{\mathrm{O} \mathrm{H}}^{-} $$ (4)

방정식 (3) 및 (4)는 S₂에 대한 메커니즘입니다. O₃ ²⁻ 관련 CEP 과정은 2단계와 3단계에서 발생합니다. 자세한 동역학 과정은 Co(OH)₂의 형성과 유사합니다. 출판된 기사 [27]의 NC. S₂의 운송 O₃ ²⁻ Cu₂ 방향 O는 부식 속도와 방출된 OH를 결정합니다.^- 내부 이온은 Ni(OH)₂의 성장률을 나타냅니다. NC. 두 프로세스의 협력 제어로 인해 잘 정의된 Ni(OH)₂가 형성됩니다. NC.

그림 4는 N₂를 보여줍니다. Ni(OH)₂의 흡착-탈착 등온선 곡선 NC 및 Ni(OH)₂ BNC. Ni(OH)₂의 BET 표면적 NC는 54.7 m² 입니다. /g, Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC(38.1 m² /G). 결과는 중공 다공성 구조가 Ni(OH)₂를 부여함을 나타냅니다. 비표면적이 더 큰 NC. 기공 크기 분포( 및 b 삽입)는 Ni(OH)₂의 메조다공성 구조를 나타냅니다. NC 및 Ni(OH)₂ BNC. Ni(OH)₂의 기공 부피 NC는 0.25 cm³ 으로 계산됩니다. /g, Ni(OH)₂보다 큼 BNC(0.19 cm³ /G). 또한 Ni(OH)₂에 대해 2.7~6.1 nm 사이의 집중된 기공 분포가 조사되었습니다. 나노 입자 사이의 공간과 관련된 NC. 그러나 Ni(OH)₂의 경우 뚜렷한 집중 기공 분포가 관찰되지 않습니다. 정렬된 확산 채널의 파괴를 나타내는 BNC. 넓은 표면적과 정렬된 확산 채널은 전기화학적 역학에 유리하여 우수한 정전용량 성능을 제공합니다.

<그림>

a의 BET 측정 Ni(OH)₂ NC 및 (b) Ni(OH)₂ BNC. a 삽입 그리고 b Ni(OH)₂의 해당 기공 크기 분포 NC 및 Ni(OH)₂ BNC, 각각

Ni(OH)의 전기화학적 성능₂ NC

최고의 정전용량 특성을 얻기 위해 Ni(OH)₂ NiCl₂의 양을 조절하여 쉘 두께가 다른 NC를 제조했습니다. 분말. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 쉘 두께는 질량비가 5:1에서 1.67:1로 증가함에 따라 27.4에서 76.7 nm로 분명히 증가했습니다. 그러나 쉘 두께는 76.7 nm에서 79 nm로 약간만 증가하고 질량 비율은 1.25:1로 추가 증가합니다. 결과는 쉘의 방해로 인한 질량 확산의 동역학적 어려움에 기인할 수 있습니다. Ni(OH)₂의 GCD 곡선 다른 NiCl₂로 얻은 NC 복용량을 측정하고 데이터를 그림 6a에 기록했습니다. Cu₂가 포함된 샘플은 O/NiCl₂ 2.5:1은 4 A/g 미만에서 가장 긴 방전 시간을 표시하여 최고의 정전 용량 성능을 나타냅니다. 이 결과는 적당한 껍질 두께에서 파생된 적절한 질량 수송 동역학에 기인할 수 있습니다. 또한 Ni(OH)₂의 정전 용량 성능 Cu₂로 얻은 NC O/NiCl₂ 2.5:1은 Ni(OH)₂와 대조적으로 평가되었습니다. BNC. 그림 6b에서 볼 수 있듯이 Ni(OH)₂의 CV 곡선에서 상당한 산화환원 피크가 명확하게 관찰됩니다. NC 및 Ni(OH)₂ 두 전극의 유사 용량 특성을 나타내는 BNC. 산화 환원 과정은 Ni(OH)₂와 관련된 저장 메커니즘에 해당합니다. /NiOOH 산화 환원 커플은 Eq. (5) [28, 29].

$$ \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{Ni}\mathrm{OOH}+{\mathrm{H }}_2\mathrm{O}+{e}^{-} $$ (5) <그림>

아 –d Ni(OH)₂의 TEM 이미지 Cu₂의 다른 질량비로 얻은 NC O/NiCl₂ . 이 –h a의 해당 껍질의 TEM 이미지 –d

<그림>

아 Cu₂의 다른 질량비로 얻은 제품의 GCD 곡선 O/NiCl₂ 4 A g⁻¹ 에서 . ㄴ Ni(OH)₂의 CV NC/NF 및 Ni(OH)₂ 60 mV/s의 스캔 속도에서 BNC/NF. ㄷ Ni(OH)₂의 CV 다른 스캔 속도의 NC/NF. d Ni(OH)₂의 GCD 곡선 NC/NF 및 Ni(OH)₂ 1 A g⁻¹ 에서 BNC/NF . 이 Ni(OH)₂의 GCD 곡선 다른 전류 밀도에서 NC/NF. 에 Ni(OH)₂에 대한 전하 저장 이점의 개략도 NC. 지 Ni(OH)₂의 사이클링 안정성 8 A g⁻¹ 에서 NC/NF . 아 Ni(OH)₂의 EIS 스펙트럼 NC/NF 및 Ni(OH)₂ BNC/NF

Ni(OH)₂의 CV 캡슐화 영역 NC는 Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC, 더 높은 비 커패시턴스를 보여줍니다. Ni(OH)₂의 CV 다양한 스캔 속도의 NC가 그림 6c에 나와 있습니다. CV 곡선은 100 mV/s의 높은 스캔 속도에서도 여전히 잘 정의된 모양을 유지하여 뛰어난 속도 기능과 높은 전기화학적 가역성을 보여줍니다. 또한 피크 전류는 스캔 속도의 제곱근에 따라 선형으로 증가하여 벌크 확산이 지배적인 요인임을 나타냅니다(추가 파일 1:그림 S3). 도 6d에 나타난 바와 같이, Ni(OH)₂의 GCD 곡선 NC는 Ni(OH)₂보다 방전 시간이 더 깁니다. 1 A g⁻¹ 의 BNC , Ni(OH)₂ NC는 Ni(OH)₂보다 더 높은 비정전용량을 나타냅니다. BNC. 그림 6e는 Ni(OH)₂의 GCD 곡선을 나타냅니다. 다른 전류 밀도의 NC. Ni(OH)₂에 대해 계산된 비정전용량 NC는 539.8, 445.5, 409.4, 391.3, 360.2 및 340.7 F g⁻¹ 입니다. 1, 2, 3, 4, 5, 6 A g⁻¹ 에서 , 각각(추가 파일 1:그림 S4). Ni(OH)₂에 대해 계산된 값 BNC는 87.3, 77.4, 72.9, 67.8, 64.1 및 60.5 F g⁻¹ 입니다. 해당 전류 밀도에서(추가 파일 1:그림 S5). Ni(OH)₂의 구조적 이점 NC는 그림 5f에 나와 있습니다. 첫째, 케이지와 같은 기능은 패러데이 반응에 대한 활성 사이트의 양을 제공합니다. 둘째, 다공성의 얇은 껍질은 전자의 이동 거리를 단축시켜 높은 전자 전달 속도를 가져온다. 셋째, 다공성 쉘은 전해질을 위한 충분한 확산 채널을 제공하여 Ni(OH)₂의 활용률을 향상시킵니다. . Ni(OH)₂의 사이클링 안정성 NC는 8 A g⁻¹ 에서 GCD 측정을 반복하여 평가되었습니다. (그림 6 g). 비정전용량은 2000 주기 후에도 초기값의 96.9%를 유지하며 이는 Ni(OH)₂보다 훨씬 큰 값입니다. BNC(61.5%, 추가 파일 1:그림 S6). 삽입도에서 볼 수 있듯이 마지막 10 사이클은 처음 10개의 충방전 사이클과 비교하여 거의 차이를 보이지 않아 우수한 안정성을 나타냅니다. 커패시턴스의 약간의 감쇠는 Ni(OH)₂의 소량 방출에 기인할 수 있습니다. NF의 NC. 쉘의 내부 공극과 기공은 사이클링 과정에서 변형을 방출할 수 있는 충분한 공간을 제공합니다[30].

역학에서 케이지와 같은 구조의 이점을 확인하기 위해 EIS 스펙트럼이 그림 6h에 기록되었고 등가 회로는 추가 파일 1:그림 S7에 설명되어 있습니다. 등가 회로는 주로 Rs, Rct, Zw, CPE 및 CL로 구성됩니다. 여기서 Rs는 전극계의 내부저항이다. Rct는 EIS 스펙트럼에서 반원의 반경과 관련된 전하 이동 저항입니다. Zw는 고주파에서 EIS의 기울기에 해당하는 Warburg 임피던스입니다. Ni(OH)₂ NCs/NF 전극은 Ni(OH)₂에 비해 다소 동일한 Rs 값(0.27 Ω)을 가집니다. BNC/NF(0.25 Ω), Ni(OH)₂ NCs/NF는 Ni(OH)₂보다 훨씬 낮은 Rct(120.8 Ω)를 가집니다. BNC(976.5 Ω)는 더 높은 전자 전달 속도를 나타냅니다. 높은 전자 전달 속도는 Ni(OH)₂의 얇은 껍질에 기인할 수 있습니다. NC. 분명히 Ni(OH)₂ NCs/NF 전극은 Ni(OH)₂보다 훨씬 더 큰 기울기를 나타냅니다. BNCs/NF, 보다 직접적인 확산 과정을 보여줍니다. 방해받지 않는 확산은 정렬된 채널과 Ni(OH)₂의 다공성 특성에 기인할 수 있습니다. NC/NF 전극. 위의 논의를 바탕으로 Ni(OH)₂ NCs/NF 전극은 Ni(OH)₂에 비해 전기화학적 역학에서 상당한 이점을 가지고 있습니다. BNC/NF.

ASC 장치의 전기화학적 성능

Ni(OH)₂의 ASC 소자 NCs/NF//AC는 그림 7a에 따라 구성되었습니다. Ni(OH)₂ NC/NF 전극과 AC는 셀룰로오스 종이로 분리하였다. 그림 7b에서 볼 수 있듯이 AC 전극의 CV 곡선은 거의 직사각형 모양을 나타내어 일반적인 EDLC 저장 메커니즘을 보여줍니다. 또한 AC 전극은 - 1 ~ 0 V 및 Ni(OH)₂ 내에서 순환할 수 있습니다. NC/NF 전극은 0 ~ 0.6 V 내에서 순환할 수 있어 ASC 장치가 1.6 V의 작동 전압을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 그림 7c에 표시된 CV 곡선은 높은 스캔 속도에서도 잘 정의된 모양을 보여주므로 우수한 질량을 나타냅니다. 수송 동역학 및 탁월한 가역성. 다른 전류 밀도에서 ASC 장치의 GCD 곡선은 그림 7d에 나와 있습니다. 장치의 에너지 밀도와 전력 밀도는 그림 7d에 따라 계산되었습니다. 23.3 Wh Kg⁻¹ 의 에너지 밀도 800 W Kg⁻¹ 의 전력 밀도에서 달성 . 9.6 Wh Kg⁻¹ 의 에너지 밀도 8000 W Kg⁻¹ 의 높은 전력 밀도에서도 여전히 얻어집니다. . 에너지 밀도는 Ni(OH)₂의 에너지 밀도보다 훨씬 큽니다. BNC/NF//AC ASC(추가 파일 1:그림 S8, 3 Wh Kg⁻¹ 880 W Kg⁻¹ 에서 ). 또한 ASC의 최대 에너지 밀도도 Ni(OH)₂의 에너지 밀도보다 큽니다. - 기반 재료 [31, 32]. 사이클링 안정성은 4 A g⁻¹ 에서 GCD 측정을 반복하여 추정했습니다. 2000 주기 동안. 최종 비정전용량은 여전히 최대값의 90.1%를 유지하며 이 값은 Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC/NF//AC ASC(추가 파일 1:그림 S9, 60%). 또한 마지막 10개의 GCD 곡선은 처음 10개의 주기와 유사하여 ASC 장치의 우수한 안정성을 나타냅니다. 도 7f에 도시된 바와 같이, Ni(OH)₂ NC는 2000 주기 후에도 균일한 입방체 케이지와 같은 형태를 유지하여 우수한 사이클링 안정성을 추가로 보여줍니다. 비정전용량의 손실은 NF에서 떨어지는 활물질의 양이 적기 때문일 수 있습니다.

<그림>

아 Ni(OH)₂의 개략도 NC/NF//AC 장치. ㄴ AC 및 Ni(OH)₂의 CV 3 전극 시스템의 NC/NF 전극. ㄷ Ni(OH)₂의 CV 0 ~ 1.6 V 사이의 NC/NF//AC ASC d 0과 1.6 V 사이의 다양한 전류 밀도에서 ASC의 GCD 곡선. e 4 A g⁻¹ 에서 2000 주기 동안 ASC의 순환 안정성 . 에 사이클링 전후의 양극 SEM 이미지

결론

전체적으로 Ni(OH)₂ NC는 CEP 방법을 통해 성공적으로 구성되었으며 슈퍼 커패시터의 전극으로 사용되었습니다. Ni(OH)₂ NC는 54.7 m² 의 큰 비표면적을 나타냅니다. /g 및 2.7 및 6.1 nm 사이의 집중된 기공 크기 분포. 얇은 껍질은 전달 경로를 단축하고 전자 전달 속도를 향상시킵니다. 슈퍼커패시터용 양극으로 Ni(OH)₂ NC/NF는 539.8 F g⁻¹ 의 특정 정전용량을 표시합니다. 1 A g⁻¹ 에서 , Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC/NF//AC(87.3 F g⁻¹ 1 A g⁻¹ 에서 ). 비정전용량은 2000 주기 후에도 초기값의 약 96.9%를 유지합니다. Ni(OH)₂의 ASC NC/NF//AC의 에너지 밀도는 23.3 Wh Kg⁻¹ 입니다. 800 W Kg⁻¹ 에서 , Ni(OH)₂보다 훨씬 큽니다. BNC(3 Wh Kg⁻¹ 880 W Kg⁻¹ 에서 ). 결과는 설계된 Ni(OH)₂ NC는 에너지 저장 분야에서 잠재적으로 응용할 수 있습니다.