苏州大学Adv. Mater.: PECVD石墨烯胶囊包覆Nb2O5纳米线用于可弯曲钠离子杂化超级电容器

【引言】

钠离子杂化超电电容(Na-HSCs)同时具备电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度的特点，成为能源存储领域的研究热点。正交相的五氧化二铌(T-Nb₂O₅)为典型的赝电容型材料，是理想的Na-HSCs负极材料。然而较低的电导率很大程度上限制了T-Nb₂O₅在Na-HSCs中的实际应用。为了改善T-Nb₂O₅基电极的电化学性能，研究人员在提高复合材料中碳含量方面进行了大量的尝试，然而效果并不是十分理想。此外，关于柔性Na-HSCs器件的研究更是鲜有报道。

【成果简介】

近日，苏州大学的张力和孙靖宇(共同通讯作者)在Adv. Mater.上发表了题为“Caging Nb₂O₅ Nanowires in PECVD-Derived Graphene Capsules toward Bendable Sodium-Ion Hybrid Supercapacitors”的研究论文，报导了基于石墨烯-Nb₂O₅复合材料的可弯曲钠离子杂化超级电容器的最新研究进展。研究人员借助等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在T-Nb₂O₅纳米线表面原位包覆少层石墨烯，制备得到可弯曲的Gr-Nb₂O₅复合材料。研究发现：少层石墨烯中丰富的拓扑缺陷有利于电子和Na⁺离子的高效传递，有利于Nb₂O₅和电解质界面处发生快速的赝电容过程；基于Gr-Nb₂O₅复合材料的Na-HSCs表现出优异的能量/功率密度；在不同状态下反复弯曲测试后仍能表现出优异的电化学性能。

【图文导读】

图-1. Gr-Nb₂O₅复合材料的制备流程和电子显微镜图像

(a) Gr-Nb₂O₅复合材料的制备流程示意图；

(b)-(c) PECVD原位包覆石墨烯前后T-Nb₂O₅的SEM图像；

(d) 单个Gr-Nb₂O₅的TEM图像；

(e) 石墨烯-Nb₂O₅界面处的高分辨TEM图像；

(f) 垂直的石墨烯纳米壁的高分辨TEM图像。

图-2. Gr-Nb₂O₅复合材料的表征

(a-d) Gr-Nb₂O₅复合材料的TEM图像及对应的EDS元素分布图；

(e) T-Nb₂O₅纳米线和Gr-Nb₂O₅复合材料的XRD衍射图样；

(f) T-Nb₂O₅纳米线和Gr-Nb₂O₅复合材料的拉曼光谱；

(g) T-Nb₂O₅纳米线和Gr-Nb₂O₅复合材料中Nb 3d的高分辨XPS谱图；

(h) T-Nb₂O₅纳米线和Gr-Nb₂O₅复合材料中O 1s的高分辨XPS谱图。

图-3. Gr-Nb₂O₅复合材料的电化学性能

(a) 当电流密度区间为0.5-20 C时，不同电流密度下Gr-Nb₂O₅负极的恒流充/放电曲线；为了计算首圈库伦效率，第一次充/放电时电流密度设定为0.25 C；

(b) 当电流密度为0.25 C时，商业化Nb₂O₅，T-Nb₂O₅和Gr-Nb₂O₅的循环性能；

(c) 当电流密度区间为0.5-20 C时，不同电流密度下商业化Nb₂O₅，T-Nb₂O₅和Gr-Nb₂O₅的倍率容量；

(d) 当电流密度为20 C时，Gr-Nb₂O₅的长期循环稳定性曲线；

(e) 当扫速区间为0.1-100 mV s^-1时，不同扫速下Gr-Nb₂O₅的CV曲线；

(f) 根据关系式i = ab^v，以log(i)和log(v)为坐标进行绘图确定b值；当扫速v ≤ 10 mV s^-1时 b = 0.97；当v > 10 mV s^-1时b = 0.42。

(g) 移除Nb₂O₅内核后石墨烯胶囊的TEM图像。

图-4. Gr-Nb₂O₅电极的储能动力学分析

(a) 当扫速为0.5 mV s^-1时，Gr-Nb₂O₅电极的总电流(实线)和表面电容电流(阴影区域)分离的CV曲线；

(b) 当扫速区间为0.1-5.0 mV s^-1时，不同扫速下Gr-Nb₂O₅电极的电容贡献率；

(c) Gr-Nb₂O₅中电子/Na⁺离子传递示意图；

(d) 不同电流密度下，以Gr-Nb₂O₅为负极、商业活性炭(AC)为正极组装成的Na-HSC全电池的恒流充放电曲线；

(e) 当电流密度区间为0.03-2.0 A g^-1时，不同电流密度下Na-HSC的倍率容量以及电流密度为2.0 A g^-1时Na-HSC的长期循环性能；

(f) 与其他最先进的Na-HSCs的结果进行比较绘制而成的Ragone图。

图-5. 可弯曲Gr-Nb₂O₅ // AC Na-HSCs性能测试

(a) 可弯曲Gr-Nb₂O₅ // AC Na-HSCs器件示意图；

(b) 当电压区间为1.0-4.3 V (vs Na/Na⁺)时，不同弯曲角度下Na-HSCs全电池的恒流充放电曲线；

(c) 可弯曲Na-HSC全电池在不同变形状态下的循环性能;

(d) 不同弯曲状态下Na-HCSs点亮LED的光学照片。

【小结】

本文借助PECVD在T-Nb₂O₅纳米线表面原位包覆少层石墨烯，有效提高了T-Nb₂O₅的电化序性能。石墨烯丰富的拓扑缺陷和优异的导电性，有效提高了T-Nb₂O₅和电解质界面处的赝电容效率。基于Gr- Nb₂O₅的可弯曲Na-HSCs在不同弯曲状态下表现出优异的稳定性和较高的能量/功率密度。本文为柔性Na-HSCs的研究和发展提供了新的思路，对高性能杂化超级电容器的发展具有十分重要的意义。

文献链接Caging Nb₂O₅ Nanowires in PECVD-Derived Graphene  Capsules toward Bendable Sodium-Ion Hybrid Supercapacitors (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800963)

本文由材料人编辑部新人组于晓颖编辑，张杰审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试、数据分析，上测试谷!