Управляемый синтез сферы

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14413 (2022) Цитировать эту статью

1322 Доступа

5 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Изготовление электродных материалов для накопления энергии с высокой удельной емкостью и способностью к быстрому заряду-разряду стало важной и серьезной проблемой, вызывающей озабоченность в последние годы. В настоящей работе одностадийным сольвотермическим методом в оптимизированных условиях синтеза, включающих различные растворители, был получен сферообразный взаимосвязанный бессвязующий сульфид никеля (NiS), выращенный на поверхности трехмерной пены никеля (3DNF). количества серы и время экспериментальной реакции. Изготовленные электроды SS-NiS@3DNF-E без связующего вещества были охарактеризованы с помощью ряда спектроскопических и микроскопических методов и дополнительно оценены на предмет их сравнительных электрохимических сверхемкостных характеристик в ячейках сборки полуэлементов. Оптимизированный сферический взаимосвязанный электрод без связующих веществ SS-NiS@3DNF-E-3 показал выдающуюся удельную емкость 694,0 Ф/г по сравнению с SS-NiS@3DNF-E-1 (188,0 Ф/г), SS- NiS@3DNF-E-2 (470,0 F/г) и SS-NiS@3DNF-E-4 (230,0 F/г), а также превосходную циклическую стабильность до 88% после 6700 непрерывных циклов зарядки-разрядки, с плотность энергии 24,9 Втч/кг при плотности мощности 250,93 Вт/кг. Полученные результаты демонстрируют, что взаимосвязанный NiS@никель-электрод без связующего вещества является потенциальным кандидатом для применения в аккумулировании энергии.

В последние годы из-за истощения запасов ископаемого топлива, увеличения спроса на энергию для транспортных средств и растущего рынка небольших электронных устройств экологические проблемы, такие как загрязнение окружающей среды и изменение климата, стали более заметными1,2. Поэтому общество обращается к устойчивым и возобновляемым источникам энергии, включая солнечную энергию, энергию ветра и геотермальную энергию1,2,3,4. Однако эти источники ограничены конкретным временем, условиями, например солнечными или дождливыми, и местами. В результате большое внимание уделяется технологиям преобразования и хранения чистой энергии, включая батареи, электрохимические суперконденсаторы (ES) и топливные элементы. Эти технологии используются в планшетах, смартфонах, камерах и гибридных транспортных средствах и играют важную роль в качестве источников энергии в повседневной жизни1,2,3,4,5,6.

Суперконденсаторы (SC) в последнее время привлекли большое внимание в области энергетики из-за их высокой удельной мощности, исключительной циклической устойчивости, быстрого процесса зарядки/разрядки и низкой стоимости. Кроме того, расположение SC между батареей с высокой энергоемкостью и традиционным конденсатором с высокой плотностью энергии приводит к улучшению электрохимических характеристик в различных приложениях5,6. ES используются в устройствах, которые могут хранить значительное количество энергии за короткий период, таких как гибридные платформы для грузовиков и автобусов, ветряные турбины и системы возобновляемой солнечной энергии, импульсные лазерные технологии и мобильные телефоны1,2,6. О первых ES сообщалось в патенте, поданном Бикером в 1957 году, в котором описывался конденсатор на основе углерода с большой площадью поверхности7. СЭ подразделяются на три типа в зависимости от механизма накопления энергии: электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), псевдоконденсаторы и гибридные СЭ, сочетающие в себе оба типа конденсаторов. В EDLC энергия сохраняется посредством процесса адсорбции/десорбции, в котором ионы электрода электростатически взаимодействуют с электролитом6,8. В псевдоконденсаторах заряд сохраняется посредством окислительно-восстановительной реакции, которая происходит во время процесса зарядки/разрядки9,10,11,12. Кроме того, СЭ подразделяются на симметричные и асимметричные в зависимости от конфигурации электродов, когда используются одинаковые или разные материалы электродов8,9,13. На характеристики СЭ сильно влияют материалы, используемые в электродах. Материалы на основе углерода, такие как активированный уголь (AC), графен и углеродные нанотрубки (УНТ), используются в EDLC, поскольку они имеют длительный срок службы и сильную электропроводность, хотя их емкость обычно низкая1,5. Напротив, в псевдоконденсаторах в основном используются оксиды металлов (МО) и проводящие полимеры1,5. Оксид рутения (RuO2) является наиболее исследованным электродным материалом из-за его высокой удельной емкости, длительного срока службы и высокой ионной проводимости. Однако его использование в СЭ ограничено из-за его высокой стоимости и токсичности14. Поэтому переходные МО и их гидроксиды используются в качестве альтернативных материалов, таких как оксид марганца (MnO2), оксид никеля (NiO), Ni(OH)2, оксид кобальта (Co3O4), Co(OH)2 и оксид ванадия (V2O5). )1,2,3,4,14. Благодаря низкой стоимости, экологичности, хорошей теоретической удельной емкости и низкому сопротивлению эти материалы полезны для создания устройств с высокой плотностью энергии. Однако гидроксиды/оксиды переходных металлов страдают от плохой циклической устойчивости и низкой проводимости, что приводит к снижению транспорта электронов и относительно низкой теоретической емкости2,3. В последнее время наблюдается значительный рост исследований сульфидов переходных металлов (TMS), таких как CoS2, FeS2, MnS, CuS и NiS, как перспективных материалов для электродов SC8,11,15,16 из-за их преимуществ перед их оксидами. такие как экономическая эффективность, низкое воздействие на окружающую среду, отличная электропроводность, различные валентные состояния, обеспечивающие электрохимическую активность, и более высокая емкость16. Более того, форма, размер и морфология электродных материалов на основе сульфидов металлов могут влиять на их электрохимические характеристики. Электроды на основе сульфидов и гидроксидов металлов действуют по механизму фарадической реакции, а также накапливают энергию на поверхности электрода посредством обратимых окислительно-восстановительных реакций, что является основной причиной того, что они обеспечивают лучшие электрохимические характеристики, чем конденсаторы на основе двухслойных конденсаторов16. Например, композит MnS с восстановленным оксидом графена (rGO) был оценен для использования в СЭ, и этот электрод обеспечивает стабильность при длительном циклическом использовании и высокую удельную емкость17. α-MnS/N-rGO был разработан Куаном и др.18 в качестве материала катодного электрода в асимметричных СК и обеспечивал плотность энергии 27,7 Вт·ч кг-1 при плотности мощности 800 Вт кг. Сульфид меди (CuS) использовался в качестве электродного материала, но его применение ограничено из-за его низкой плотности энергии и плохой циклической устойчивости, которую необходимо улучшить19. Для решения этих проблем введение в препарат CuS углеродного материала, обладающего высокой удельной мощностью и хорошей циклической стабильностью, может повысить производительность СЭ20. BoopathiRaja et al.21 заявили, что композитный электрод CuS/rGO обеспечивает превосходную долговременную циклическую стабильность (удержание 97%) и демонстрирует емкость 1604 Fg-1 при плотности тока 2 Ag-1. Среди всех вышеперечисленных сульфидов на основе металлов NiS особенно привлек значительное внимание в области хранения энергии, включая батареи и СЭ, благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам и различным фазам, таким как Ni7S6, Ni9S8, α-NiS, β-NiS, Ni3S4 и NiS2, большинство из которых существуют при комнатной температуре22,23,24. Среди этих фаз NiS (α-NiS, β-NiS) является наиболее стабильной и богатой серой комбинацией среди форм сульфидов никеля22,23. На фазы влияет температура: α-NiS с ромбоэдрической кристаллической структурой появляется при низких температурах22, а β-NiS в гексагональной форме – при высоких температурах23,24. Поэтому NiS выбран для изготовления электродов на основании его фазовой диаграммы, которая показывает богатую структуру серы и фазовую стабильность при нормальной температуре, что является основными моментами, которые следует учитывать при использовании NiS в качестве электродного материала нового поколения на основе накопления энергии. По этим причинам NiS использовался в качестве эффективного электродного материала из-за его сильных характеристик, включая высокую проводимость, термическую стабильность и более медленное объемное расширение во время процесса зарядки-разрядки22,24. Сообщалось о нескольких работах по NiS с различной морфологией, например, о работе Бхагвана и др.25, которые синтезировали электроды из микроцветков β-NiS (3D) с иерархической геометрией с использованием гидротермального метода, которые продемонстрировали высокую циклическую стабильность и удельную емкость 1529 Ф/г. Аналогично, Нареш и др.22 приготовили NiS на пеноникеле гидротермальной обработкой и исследовали NiS с различной морфологией, варьируя время реакции и изучая его роль в емкостных характеристиках. Парвин и др.6 сообщили, что гидротермально синтезированный иерархический сульфид никеля в форме цветка с контролируемой формой продемонстрировал превосходную удельную емкость 603,9 Ф/г с высоким циклическим удерживанием 89% в водных электролитах. Гуан и др.16 и Балакришнан и др.26 синтезировали NiS, подобный микроцветку, сольвотермическим методом, используя Ni(OH)2 в качестве предшественника. Изготовленный электрод имел удельную емкость 1122,7 Fg-1 при плотности тока 1 Ag-1 и превосходную циклическую стабильность после 100 циклов. Из-за нестабильной структуры и эффективного содержания серы в системе NiS электрохимические свойства (емкость, циклическая устойчивость) NiS в СЭ ограничены. Впоследствии, чтобы решить эти проблемы, исследователи попытались синтезировать NiS с различными концентрациями серы в разных условиях и изучить влияние на морфологию, чтобы добиться отличных характеристик.