西南科大在超级电容器用氧化钨制备方面取得重要研究成果

时间:2018-08-10作者:符亚军浏览次数:1100设置

近日,The Royal Society of Chemistry出版的国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》(JCR一区Top期刊,2017年影响因子9.931)6卷、第31期发表了我校材料科学与工程学院曹林洪教授课题组题为Self-assembled pancake-like hexagonal tungsten oxide withordered mesopores for supercapacitors”(具有自组装的介孔的六方氧化钨的制备及其在超级电容器中的应用)的研究论文。该文第一完成单位为西南科技大学,第一作者为我校材料科学与工程学院2016级研究生贾金志。曹林洪教授、周秀文副研究员、刘旭东副研究员为通讯作者,周秀文和刘旭东为中国工程物理研究院合作导师。

 (自组装饼状介孔六方氧化坞的生长机理和电化学性质) 

近年来,随着自然界中能源资源的不断枯竭、环境污染恶化程度的不断加剧,超级电容器引起了社会各界的广泛关注。超级电容器因其功率密度高、充放电速度快、使用寿命长以及温度工作范围广泛等优势,在众多领域广泛应用。电化学储能系统不仅需要材料具有高的比容量,还要求材料具有合理的结构和优异的导电性,只有这样才能有效权衡超级电容器的能量密度和功率密度,满足器件对电容器的需求。然而,目前超级电容器电极材料多为实心结构,导致电极反应中离子的扩散效率较低和活性材料利用不充分,严重制约了电极材料的电化学性能。

为了解决这一问题,曹林洪教授与中物院周秀文、刘旭东副研究员合作从材料的微纳米结构设计出发,通过简单的水热法制备出了具有介孔的自组装的六方氧化钨。与实心的电极材料相比,该材料具有骨架结构、离子通道和质子通道,介孔中的大通道及其晶格中的小通道。当材料的内部管道被电解液浸润之后,离子可以同时从材料外表面和管道内表面向管壁扩散,从而显著减小了离子的扩散距离和扩散阻力,提高了材料的孔隙利用率。此外,介孔能够储存离子源和电解液,并贡献了有效的离子扩散通道,晶格通道提供了足够的反应接触面积,也使得离子的扩散距离大幅缩短,介孔提高了机械稳定性,因此材料电化学性能得到有效提升。

为了进一步研究其电化学性质,使用传统的浆糊涂覆法制备电极,在三电极体系中,利用介孔氧化钨(nc-WO3)作为工作电极,在电流密度为0.37A/g时,其比电容量高达605.5F/g,在循环4000次之后其比电容仍保持110.2%。通过储能机理的分析,最高可达比电容占总电容的18.2%。该项工作所构筑的介孔离子通道,不仅可以显著提高超级电容器中电极反应的离子的扩散效率和质子插入,而且为改善器件的整体动力学行为提供了新的思路,对于制备高性能能量存储器件具有重要意义。

该项研究得到西南科技大学龙山学术人才科研支持计划(17LZX5057LZX538)。

(郭鸿雁 编辑)(材料学院 供稿

全文链接http://dx.doi.org/10.1039/C8TA05292A

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