锡基金属氧化物协同P-N结界面设计非对称超级电容器

摘要

由于化石燃料的不断消耗以及迫在眉睫的环境问题，新能源的高效储存与转化已经引起了众多科学家的注意。超级电容器，被认为是一种新型的能量储存装置。然而，为了满足日益提高的要求，现有超级电容器还需要在不损失其较高功率密度与较好循环性的同时进一步提高其能量密度。根据能量密度计算公式E=1/2CV2，超级电容器的单位比能量(E)可以通过提高其输出电压(V)或者单位比电容(C)来提高。如今，大多数商业超级电容器为了实现高电压窗口使用有机电解质，纯化复杂且安全性差。相反，含水电解质具有高离子电导率，低成本且环境友好，实际应用更加理想。然而，含水电解质的限制是水分解的约1.23V的有限操作电压。为了进一步提高基于水性电解质的超级电容器的能量密度，加宽电压窗口是关键。一种策略是选择具有用于氢和/或氧放出的高过电位的电极材料。另一种是组合具有良好分离的电位窗的不同正电极材料和负电极材料以制造不对称超级电容器，使得全电容电压变宽。
　　目前，由于阳极的低电容（对于碳材料为100～200F·g-1）和较小的电压窗(1.6～1.8V的含水电解质)，高能量和大功率非对称超级电容器(ASCs)的开发仍然是一个巨大的挑战。在本文中，我们采用简单的一步水热法获得超薄二氧化锡纳米片，利用二次水热获得二级结构的二氧化锡纳米颗粒复合纳米片，之后通过在氩气氛不同温度下的退火处理可调控的制备出含量不同的一氧化锡复合二氧化锡，通过利用薄纳米片以及二级结构的高比表面积以及一氧化锡和二氧化锡两种宽窄禁带不同物质的P-N结界面效应来实现比容量和循环稳定性的大幅提升。其中在10mv·s-1扫描速率下，经过热处理后的分级氧化锡结构比单纯二氧化锡纳米片从112F· g-1的比容量提升到了540.3F· g-1这一相对较高的容量存储。这种简单的实验过程搭配巧妙的结构设计，为超级电容器能量密度和功率密度的协调发展提供了一种新的思路。
　　同时，在本工作中我们进一步设计了一种简单可行的一步水热法获得超高工作电位的缺陷氧化锰电极材料，同时匹配经过处理后具有较大比容量的氧化锡电极材料，利用两种氧化物分别作为正负极组装成不对称超级电容器，通过正极氧化锰主要拓宽整个全电容的工作电压，通过处理后的氧化锡主要提升整个全电容的比容量，在结构与匹配上综合实现高能量密度与高功率密度相协调的具有优异综合素质的不对称超级电容器。最终利用具有高电荷存储能力（342F·g-1在5 mV·s-1）的导电分级纳米结构SnO@SnO2阳极和宽电位窗口工作(0～1.3 V vs.SCE)的MnO2纳米片阴极合理制备出了具有高能和大功率的ASC。SnO@SnO2复合材料的分层纳米结构的构造不仅可以提供用于快速离子传输的大表面积，而且可以提供用于电荷转移的有效路径。此外，我们的结果表明，阴极的扩大的宽工作电位窗口确定地扩大了组装的ASC的稳定电压（高达2.2V），这进一步实现在196mW·cm-3下的体积能量密度为2.29mWh·cm-3，在2063 mW·cm-3处显着保持1.08 mWh·cm-3，为推进高性能ASC开辟了新的机遇。