摘要

在能量存儲研究中，開發(fā)出具有高電荷存儲容量、超快動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的電極材料仍然是一個挑戰(zhàn)。在本研究中，我們報道了制備了一種具有增強(qiáng)偽電容性能的尖晶石-LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒（LNMO）。通過FESEM和XRD分析證實(shí)，LNMO納米顆粒具有獨(dú)特的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)。通過BET分析評估了LNMO納米顆粒的多孔性，這種多孔性有利于電子傳輸，從而實(shí)現(xiàn)快速的動力學(xué)和法拉第反應(yīng)。循環(huán)伏安法和恒電流充放電等電化學(xué)研究表明，LNMO納米顆粒表現(xiàn)出以擴(kuò)散控制為主的偽電容行為。在1 A/g的電流密度下，LNMO納米顆粒的比電容為445 F/g。Ni和Mn陽離子在電極-電解質(zhì)界面的快速氧化還原反應(yīng)促進(jìn)了其優(yōu)異的電容性能。LNMO納米顆粒作為電極材料，在5000次循環(huán)后仍保持93%的循環(huán)穩(wěn)定性，并且具有較低的電荷傳輸電阻，使其成為下一代能量存儲的理想材料平臺。

引言

由于工業(yè)化和全球人口的增長，化石燃料的儲備正在迅速耗盡，以滿足世界每日的能源需求。化石燃料的不可逆燃燒會釋放有害氣體，加劇全球變暖。因此，迫切需要一種成本效益高、重量輕且環(huán)境可持續(xù)的新型能量存儲解決方案，以部分或完全解決這些問題。這促使研究人員開發(fā)出多種創(chuàng)新的能量存儲技術(shù)[1]、[2]、[3]。 超級電容器因其高功率密度、快速充電效率和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性而受到廣泛研究。然而，超級電容器的能量密度低于燃料電池和電池，這限制了其在能量存儲中的應(yīng)用[4]、[5]。作為高效設(shè)備，非對稱超級電容器（ASCs）可以通過提高工作電壓窗口來提供有效的電源。ASCs通常由兩種電極組成：一種電容型電極和一種電池型法拉第電極，分別充當(dāng)電源和能量源。近年來，過渡金屬氫氧化物、硫化物和氧化物因其多種氧化態(tài)而被提議作為ASCs中的電池型電極組分，以實(shí)現(xiàn)有效的氧化還原電荷傳輸。然而，它們固有的低電導(dǎo)率是電化學(xué)能量存儲的缺點(diǎn)[6]、[7]、[8]。電解質(zhì)與電極材料一起是超級電容器中的關(guān)鍵組分，因?yàn)樗鼪Q定了離子導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性窗口和離子傳輸動力學(xué)。水基電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電性和較低的內(nèi)阻，但受限于有限的電壓范圍（約1.0 V）。電解質(zhì)的選擇對電荷存儲過程有重要影響，包括雙電層的形成和偽電容材料中的法拉第氧化還原反應(yīng)。因此，設(shè)計具有高電導(dǎo)率和合適電解質(zhì)的新材料至關(guān)重要。 為了解決這一問題，研究人員被鼓勵探索用于超級電容器的下一代電極材料，例如通過將堿金屬離子嵌入過渡金屬基化合物中來改進(jìn)超級電容器電極材料。通常，像NiO、ZnO和MnO這樣的過渡金屬氧化物是很有前景的電極材料，因?yàn)樗鼈兙哂胸S富的氧化還原反應(yīng)、較高的電化學(xué)活性和較低的電阻率[9]。與單一過渡金屬相比，多種雙金屬過渡金屬氧化物（如NiCo₂O₄、MnCo₂O₄、CuCo₂O₄、ZnCo₂O₄和FeCo₂O₄）已在超級電容器領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，從而改善了電子傳輸。過渡金屬之間的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了最大潛力，提升了性能。然而，雙金屬過渡金屬氧化物的能量密度較低[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。目前，鋰離子（Li⁺）與金屬氧化物的復(fù)合材料被用作超級電容器的電極材料[15]、[16]、[17]，它們表現(xiàn)出類似電池的特性，同時提高了能量密度并增強(qiáng)了循環(huán)壽命。Xiao Gu等人[18]報道，Li₂MnO₃在LiCl電解質(zhì)中呈現(xiàn)納米棒形態(tài)，在2 mV/s的電流密度下比電容為1129 F/g[16]。Priyadharshini Matheswaran等人[19]使用3 M LiNO₃電解質(zhì)證明，煅燒后的尖晶石LiMn₂O₄在1 A/g的電流密度下比電容為473.44 F/g[19]。Sivakumar Marimuthu等人[20]報告，在1 M KOH電解質(zhì)中，摻鈷的鋰鎳氧化物在0.5 Ag^?1的電流密度下比電容為300 F/g[20]。 在本研究中，我們成功地使用共沉淀法合成了LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒，并通過三電極裝置研究了其電化學(xué)性能。通過電化學(xué)技術(shù)計算了超級電容器應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)（如比電容）。還對LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒的循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，以評估電極材料的耐久性。

材料

六水合硫酸鎳[NiSO₄.6H₂O（純度99%）、一水合硫酸錳[MnSO₄.H₂O（超純98%）、碳酸氫銨[NH₅CO₃（超純99%）和碳酸鋰[Li₂CO₃（超純99%）均從SRL Pvt. Ltd.購買。實(shí)驗(yàn)過程中使用了雙蒸餾水。

LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒的合成

LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒是通過共沉淀法合成的。將大約1:3摩爾比的NiSO₄.6H₂O（1.55 g）和MnSO₄.H₂O（5.12 g）前驅(qū)體溶解在100 mL蒸餾水中

LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒的結(jié)構(gòu)分析

在不同煅燒溫度下制備的LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒通過XRD分析進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖2所示。2θ = 18°和45°處的衍射峰屬于(111)和(400)晶面，且強(qiáng)度較高；此外，在(220)、(311)、(331)、(511)、(440)和(442)衍射面上也觀察到一些低強(qiáng)度峰，對應(yīng)的衍射角分別為約32°、37°、49°、59°、64°和69°。這表明...

結(jié)論

通過共沉淀法并經(jīng)過煅燒成功制備了LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒。通過SEM分析了LiNi_0.5Mn_1.5O₄納米顆粒的形態(tài)。通過XRD分析確認(rèn)了LNMO的晶體性質(zhì)，并通過XPS分析了其中元素的氧化狀態(tài)和電荷狀態(tài)。通過BET分析了LNMO的多孔性...

CRediT作者貢獻(xiàn)聲明

P. Deva：撰寫原始草稿、可視化處理、驗(yàn)證、方法論設(shè)計、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。 Thirumal Balaraman：撰寫原始草稿、可視化處理、驗(yàn)證、方法論設(shè)計、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。 U. Gopika：撰寫原始草稿、可視化處理、驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。 N. Jayasaranya：可視化處理、驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。 M. Prabakaran：

資助

作者未為此項(xiàng)工作獲得任何特定資助。

利益沖突聲明

作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。