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上海大学程伶俐:Sn/SnO2/GQD/CNF的合理设计及其在高倍率性能柔性超级电容器中的应用

2022-05-27   易丝帮

设计SnO2/碳复合材料是提高SnO2导电性并缓冲体积膨胀的有效策略。然而,将SnO2和碳材料紧密结合以形成稳定的整合体仍然是一项挑战。本文报道了一种简便且通用的策略,将Sn/SnO2纳米点紧密锚定在石墨烯量子点(GQDs)修饰碳纳米纤维(CNFs)中,用于高性能超级电容器。通过简单的静电纺丝方法和碳化还原过程,GQD/CNF新型多维碳骨架有效提高了导电性,重要的是,构建了丰富的Sn-O-C共价键,以将SnO2纳米点紧密锚定在GQD/CNF中,从而抑制SnO2聚集,促进电子/离子转移动力学。因此,作为自支撑且无粘合剂的电极材料,Sn/SnO2/GQD/CNF在1A/g时显示出168.6mAh/g(1349F/g)的高比电容和优异的倍率性能(20A/g下的保持率为88.9%)。此外,基于Sn/SnO2/GQD/CNF和GQD/CNF的柔性固态非对称超级电容器在800W/kg的功率密度下实现了32.3Wh/kg的高能量密度,具有显著的柔性和循环稳定性(5000次循环后保留率为86.1%)。其优异的电化学性能表明,这种新型碳骨架锚定活性材料在电化学储能应用中具有巨大的潜力。

 

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图1.Sn/SnO2/GQD/CNF正极和GQD/CNF负极及其组装成柔性非对称超级电容器的路线示意图。

 

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图2.(a-b)纯CNFs、(c-d)Sn/SnO2/CNF和(e-f)Sn/SnO2/GQD/CNF的SEM照片。Sn/SnO2/GQD/CNF的能量色散X射线光谱映射分析:(g)扫描区域,(h)C,(i)N,(j)O和(k)Sn。

 

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图3.(a-c)Sn/SnO2/GQD/CNF的TEM图像和(d)HRTEM图像。

 

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图4.(a)Sn/SnO2/GQD/CNF的XRD图谱,(b)Sn/SnO2/GQD/CNF的XPS图谱,以及Sn/SnO2/GQD/CNF中(c)C1s、(d)N1s、(e)Sn3d和(f)O1s的高分辨率XPS图谱。

 

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图5.Sn/SnO2、Sn/SnO2/CNF和Sn/SnO2/GQD/CNF的(a)CV曲线(20mV/s)和(b)GCD曲线(1A/g)。(c)Sn/SnO2/GQD/CNF在不同扫描速率下的CV曲线。(d)Sn/SnO2/GQD/CNF在不同电流密度下的GCD曲线。(e)Sn/SnO2、Sn/SnO2/CNF和Sn/SnO2/GQD/CNF的倍率性能和(f)EIS(插图:高频区域的EIS)。

 

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图6.Sn/SnO2/CNF和Sn/SnO2/GQD/CNF的动力学分析。(a)阳极峰的b值,(b)Sn/SnO2/GQD/CNF在200mV/s下的电容(橙色区域)和扩散(白色区域)贡献,(c)Sn/SnO2/GQD/CNF在不同扫描速率下的归一化电容和扩散贡献比,(d)Sn/SnO2/CNF和Sn/SnO2/GQD/CNF在不同扫描速率下的电容贡献。

 

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图7.含PVA-KOH凝胶电解质的非对称Sn/SnO2/GQD/CNF//GQD/CNF柔性超级电容器的电化学性能。(a)Sn/SnO2/GQD/CNF和GQD/CNF在20mV/s下的CV曲线,(b)器件在20mV/s以及不同电压值下的CV曲线,(c)不同扫描速率下的CV曲线,(d)不同电流密度下的GCD曲线。(e)倍率性能,(f)EIS(插图:等效电路和高频区域的EIS),(g)器件的Ragone图(与先前报道的基于SnO2/碳复合材料的非对称超级电容器的比较),(h)器件在20mV/s以及不同弯曲条件下的CV曲线(插图:弯曲器件的数码照片),(i)器件在5A/g下循环5000次后的循环性能。

 

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图8.Sn/SnO2/GQD/CNF的电荷存储和传输机理示意图。

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