Hydroxydes doubles lamellaires Ni-Co conçus : nanosheets minces à couches réglables pour supercondensateurs haute performance

Résumé

Les hydroxydes doubles lamellaires (HDL), comme matériaux d'électrode typiques de supercondensateurs, peuvent présenter une performance de stockage d'énergie supérieure si leurs structures sont bien régulées. Dans ce travail, une méthode hydrothermale simple en une étape est utilisée pour préparer divers hydroxydes doubles lamellaires nickel-cobalt (NiCo-HDL), dans lesquels différentes teneurs en urée régulent les différentes nanostructures des NiCo-HDL. Les résultats montrent que la diminution de la teneur en urée améliore efficacement la dispersibilité, ajuste l'épaisseur et optimise les structures de pores internes des NiCo-HDL, améliorant ainsi leur performance capacitive. Lorsque la teneur en urée est réduite de 0,03 à 0,0075 g sous un rapport massique fixe de précurseurs nickel (0,06 g) à cobalt (0,02 g) de 3:1, l'échantillon NiCo-HDL-1 présente une épaisseur de 1,62 nm, et des structures de nanosheets à couches minces claires et un grand nombre de pores de surface se forment, favorisant le transport d'ions dans le matériau d'électrode. Après préparation comme électrode de supercondensateur, le NiCo-HDL-1 affiche une capacitance spécifique ultra-élevée de 3982,5 F g⁻¹ à une densité de courant de 1 A g⁻¹ et une rétention de capacitance supérieure à 93,6% après 1000 cycles de charge/décharge à une densité de courant élevée de 10 A g⁻¹. L'excellente performance électrochimique du NiCo-HDL-1 est prouvée par l'assemblage d'un supercondensateur asymétrique à deux électrodes avec des sphères de carbone, affichant une capacitance spécifique de 95 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹ avec une rétention de 78% sur 1000 cycles. Ce travail offre une voie facile pour contrôler la nanostructure des NiCo-HDL, confirme l'influence importante de l'urée sur l'amélioration de la performance capacitive pour électrode de supercondensateur et offre une haute possibilité pour le développement de supercondensateurs haute performance.

Introduction

En tant que dispositif de stockage d'énergie respectueux de l'environnement, le supercondensateur attire beaucoup d'attention grâce à ses avantages uniques : longue durée de vie cyclique, réversibilité supérieure, haute densité de puissance et grande fiabilité. Ces dernières années, il a été potentiellement appliqué dans de nombreuses applications prospectives telles que véhicules électriques, dispositifs portables intelligents et ordinateurs portables, ce qui est d'une grande importance pour l'utilisation et le stockage d'énergie futurs. Cependant, la densité d'énergie plus faible des supercondensateurs a toujours été une raison importante limitant leur développement ultérieur. Il est bien connu que le facteur crucial déterminant la capacité du supercondensateur est la propriété électrochimique du matériau d'électrode. Ainsi, la solution principale actuelle est de développer des matériaux d'électrode avec d'excellentes propriétés électrochimiques. Les matériaux carbonés, les oxydes de métaux de transition, les hydroxydes de métaux de transition (HMT) et les polymères conducteurs sont les principaux matériaux utilisés comme électrodes de supercondensateurs. Parmi eux, les nanomatériaux multi-hybrides d'HMT sont devenus une forte tendance d'exploration en raison de l'effet synergique, de la contrôlabilité supérieure de la composition chimique, de l'activité redox exceptionnelle et de la performance d'échange d'anions excellente. En tant qu'HMT typique, l'hydroxyde nickel-cobalt est favorisé en raison de son faible coût, de son processus de préparation simple et de sa haute capacitance théorique. Cependant, il reste un grand défi d'obtenir des matériaux d'électrode d'hydroxydes nickel-cobalt haute performance par une méthode simple.

Les propriétés électrochimiques des hydroxydes nickel-cobalt dépendent largement des nanostructures morphologiques spéciales et des compositions des ions métalliques. Dans des études antérieures, Wu et al. ont synthétisé des réseaux de nanosheets d'hydroxydes doubles lamellaires nickel-cobalt poreux hiérarchiques dopés au vanadium, fournissant une capacitance spécifique de 2960 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹. Yan et al. ont conçu des microsphères creuses d'hydroxydes doubles lamellaires nickel-cobalt à morphologie hortensia, exhibant une capacitance de 2158,7 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹. D'autres efforts ont été faits pour diminuer la résistance, augmenter la conductivité électrique et obtenir d'autres morphologies spéciales avec grande surface spécifique. Lorsque le matériau actif croît sur la surface du substrat, il forme une structure tridimensionnelle en couches qui assure le contact complet entre l'ion d'électrolyte et le matériau actif, améliorant l'efficacité de réaction. Sur cette base, Ouyang et al. ont obtenu une capacitance de 2047 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹ en fabriquant des particules sphériques d'hydroxydes doubles lamellaires nickel-cobalt structurées hiérarchiquement croissantes sur carbone poreux de biomasse. Zha et al. ont conçu et fabriqué avec succès des nanosheets de sulfure nickel-cobalt hautement ouverts sur mousse de Ni, présentant une faible résistance et une capacitance de 2553,9 F g⁻¹ à 0,5 A g⁻¹. Malheureusement, bien que de grands progrès aient été faits dans les études antérieures sur les hydroxydes lamellaires nickel-cobalt, la capacitance spécifique de la plupart d'entre eux comme matériaux d'électrode reste encore en dessous de 3000 F g⁻¹.

Dans ce travail, nous proposons une stratégie facile et efficace pour faire croître des NiCo-HDL sur mousse de nickel et ajuster les nanostructures des matériaux d'électrode pour améliorer la capacité de stockage de charge. Les NiCo-HDL sont préparés par un procédé hydrothermal en une étape, avec la structure incluant dispersité, épaisseur et porosités facilement réglables par la diminution de la teneur en urée sous un rapport massique Ni/Co fixe de 3:1. L'optimal NiCo-HDL-1 affiche des nanosheets à couches minces avec une épaisseur d'environ 1,62 nm et des structures poreuses évidentes. La structure poreuse à couches minces peut fournir des sites actifs abondants pour la réaction redox, augmenter l'affinité de l'électrolyte et des matériaux d'électrode, et réduire la résistance de diffusion et la distance de migration des ions d'électrolyte. En conséquence, le NiCo-HDL-1 exhibe une capacitance spécifique ultra-élevée de 3982,5 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹, et une rétention de capacitance supérieure à 93,6% après 1000 cycles de charge/décharge à 10 A g⁻¹. L'excellente performance électrochimique du NiCo-HDL-1 est davantage prouvée par l'assemblage d'un supercondensateur asymétrique à deux électrodes avec des sphères de carbone, affichant une capacitance de 95 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹ et une rétention de 78% sur 1000 cycles.

Méthodes

La mousse de nickel (NF, 1 cm²) utilisée dans l'expérience a été fournie par Canrd Co., Ltd., Chine. Avant utilisation, elle a été ultrasons dans 2 M HCl pendant 15 min pour éliminer l'oxyde attaché à la surface, puis lavée à grande eau déionisée et éthanol pour éliminer les ions de surface. Ensuite, elle a été séchée à 60 °C pendant 3,5 h sous vide. Tous les autres chimiques étaient de grade analytique, achetés chez Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Chine et utilisés sans purification supplémentaire.

Dans une procédure typique, d'abord 0,06 g NiCl₂·6H₂O et 0,02 g CoCl₂·6H₂O ont été dissous dans 80 ml d'eau déionisée sous ultrasons pendant 15 min. Ensuite, l'urée a été mise dans la solution mixte et maintenue en ultrasons pendant 10 min jusqu'à dispersion complète du solide. Puis les NF avec ruban résistant à la chaleur sur un côté ont été fixés diagonalement au fond d'un autoclave en acier inoxydable revêtu de Téflon après mesure de sa masse. Finalement, la solution homogène a été transférée dans l'autoclave et maintenue à 100 °C pendant 8 h. Après réaction, les NF refroidis déposés avec NiCo-HDL ont été récupérés et lavés à l'eau déionisée pour éliminer les impuretés adhérentes en surface, puis séchés à 60 °C pendant 4 h sous vide. Les teneurs totales en urée étaient 0,0075, 0,015 et 0,03 g, correspondant respectivement aux échantillons NiCo-HDL-1, NiCo-HDL-2 et NiCo-HDL-3. L'échantillon préparé de la même manière que ceux mentionnés ci-dessus mais sans ajouter d'urée a été nommé NiCo-HDL-0.

Le diffractomètre automatique à rayons X (XRD, D8 Advance) a été utilisé pour mesurer la structure cristalline des matériaux. Le spectromètre de photoélectrons à rayons X (XPS, ESCALAB 250Xi) a mesuré la valence et la teneur en éléments. Le microscope électronique à balayage haut et bas vide (MEB, JSM-6360LV) a observé la morphologie et la composition de la microstructure de surface. Le microscope électronique à transmission (MET, TF20 Jeol 2100F) a observé l'ultrastructure du matériau. Le microscope à force atomique (AFM, Dimension Icon) a obtenu les informations de topographie de surface et rugosité avec résolution nanométrique. La cartographie d'éléments par spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDS mapping) a mesuré la distribution des éléments.

Un système typique à trois électrodes en solution 1 M KOH a été utilisé pour tester la performance électrochimique. La mousse de nickel cultivée avec le matériau d'électrode était l'électrode de travail, et la plaque de platine et l'électrode de calomel saturé étaient utilisées comme contre-électrode et électrode de référence respectivement, pour mesurer les voltampérogrammes cycliques (CV), courbes de charge/décharge galvanostatique (GCD), impédance électrochimique (EIS) et tests de stabilité cyclique. La capacitance spécifique C_c (F g⁻¹) et la capacité spécifique Q (C g⁻¹) des échantillons peuvent être calculées selon les paramètres obtenus par les courbes de décharge galvanostatique : C_c = I × Δt / (ΔV × m) et Q = I × Δt / m où I (A) est le courant de décharge ; Δt (s) le temps de décharge ; ΔV (V) la fenêtre de potentiel de décharge ; et m (g) la masse du matériau actif, environ 0,0012 g.

Un supercondensateur asymétrique (ASC) est fabriqué dans un système à deux électrodes après équilibrage des charges par Q_s+ m_s+ = Q_s- m_s-. Le NiCo-HDL-1/NF est utilisé comme électrode positive, et l'électrode négative est obtenue en mélangeant sphères de carbone, noir de carbone et PTFE au ratio 8:1:1 sur NF. L'électrolyte est le même que dans le système à trois électrodes, et la gamme de fenêtres de potentiel pour ASC est 0 ~ 1,4 V. Pour examiner les performances électrochimiques pratiques, la densité d'énergie spécifique E_c (Wh kg⁻¹) et la densité de puissance spécifique P_c (W kg⁻¹) pour la configuration asymétrique sont calculées : E_c = C_c (ΔV)² / (2 × 3,6) et P_c = E_c × 3600 / Δt où I (A) est le courant de décharge ; Δt (s) le temps de décharge ; ΔV (V) les fenêtres de potentiel ; m (g) la masse active totale des électrodes positive et négative, environ 0,0065 g.

Résultats et Discussion

La figure 1 illustre les microstructures et morphologies des NiCo-HDL cultivés sur NF préparés avec différentes teneurs en urée. La figure 1a-l montre les images MEB, les images AFM et l'épaisseur des échantillons respectivement. Comme montré en Fig. 1a, le NiCo-HDL-3 synthétisé affiche des structures feuilletées empilées et entrelacées dans la direction horizontale parallèle à la NF. Les structures feuilletées sont inégales et ont une forte adhérence. Avec la diminution progressive de la teneur en urée, les NiCo-HDL croissent progressivement dans la direction verticale et perpendiculaire à la NF. Comme montré en Fig. 1c, lorsque la teneur en urée est réduite à 0,0075 g, les nanosheets de NiCo-HDL-1 sont entrelacées et distribuées sur la surface de la NF, formant une structure tridimensionnelle évidente et de riches structures de pores entre les couches. Les morphologies de ces nanosheets sont bénéfiques pour augmenter la surface spécifique de l'électrode et fournir des sites réactifs abondants pour la réaction. Par conséquent, cela peut augmenter significativement la surface de contact avec l'électrolyte pour promouvoir la réaction électrochimique contribuant à une grande capacitance spécifique dans la réaction électrochimique. La figure 1e-l montre les images AFM pour détecter les épaisseurs des nanosheets NiCo-HDL. Pour les échantillons NiCo-HDL-3, NiCo-HDL-2 et NiCo-HDL-1, les épaisseurs correspondantes sont 3,29, 2,52 et 1,62 nm respectivement. Il est montré que l'épaisseur des nanosheets diminue progressivement avec la diminution de la teneur en urée. La structure ultra-fine dans NiCo-HDL-1 fournit de bonnes conditions pour la formation de la structure de pores et raccourcit la distance de transfert d'ions. Cependant, l'image MEB de NiCo-HDL-0 (Fig. 1d) montre que l'échantillon préparé sans ajouter d'urée affiche aussi des structures feuilletées, mais l'épaisseur est de 3,31 nm (Fig. 1h, l), plus épaisse que celles des autres échantillons préparés avec urée. Cela implique que les microstructures et morphologies des NiCo-HDL peuvent être affectées par la teneur en urée. Dans le processus d'obtention des échantillons impliquant l'urée, celle-ci se décompose lentement en NH₃ et CO₂ à haute température et produit ensuite CO₃²⁻, NH₄⁺ et OH⁻ par réaction avec l'eau. Sous condition de faible teneur en urée, les ions Co²⁺ et Ni²⁺ ont peu de sites de contact avec OH⁻, formant des structures de nanosheets à couches plus minces. Néanmoins, l'attaque chimique ne se produit pas pendant le processus de l'échantillon préparé sans urée. En résultat, comparé aux échantillons obtenus avec urée, l'épaisseur de l'échantillon sans urée devient plus épaisse.

Les spectres XRD des NiCo-HDL sont montrés en Fig. 2a. Après comparaison avec la carte PDF standard, tous les matériaux peuvent être assignés à Ni₀.₇₅Co₀.₂₅(CO₃)₀.₁₂₅(OH)₂₀.₂₁₅·0,38H₂O (PDF#40-0216). Les pics de diffraction à 2θ de 11,59°, 23,14°, 34,95°, 39,40°, 62,44° et 65,96° correspondent aux plans cristallins (003), (006), (012), (015), (113) et (116) des hydroxydes nickel-cobalt respectivement. La micro-morphologie détaillée du NiCo-HDL-1 est caractérisée davantage par MET. Comme montré en Fig. 2b-d, le NiCo-HDL-1 apparaît comme des couches minces poreuses avec très peu d'empilement entre couches. C'est parce que la teneur réduite en urée améliore la dispersibilité du matériau et réduit l'empilement latéral entre les couches. La structure de croissance tridimensionnelle rend la structure feuilletée du matériau plus mince et avec des pores évidents. L'existence de la structure poreuse à couches minces peut grandement augmenter l'imprégnation de l'électrolyte dans le matériau d'électrode, réduire la résistance de diffusion et la distance de migration des ions d'électrolyte.

La figure 3 montre l'analyse XPS du NiCo-HDL-1. Pour le spectre XPS Ni 2p en Fig. 3a, deux pics principaux sont observés autour de 873,1 et 855,5 eV correspondant à Ni 2p₁/₂ et Ni 2p₃/₂ respectivement. Les pics avec énergie de liaison à 874,4 et 856,5 eV sont attribués à Ni³⁺, tandis que les pics d'ajustement à 873,1 et 855,3 eV correspondent à Ni²⁺. Pendant ce temps, les pics à 872,1 et 854,2 eV impliquent la présence de Ni⁰ attribués à la NF et deux autres pics à 878,8 et 861,2 eV peuvent être assignés aux pics satellites. Similairement, Fig. 3b représente le spectre XPS ajusté de Co 2p, et deux pics principaux à 796,1 et 780,8 eV sont indexés à Co 2p₁/₂ et Co 2p₃/₂. Les doublets à 796,9 et 781,5 eV correspondent à Co²⁺, tandis que les autres doublets à 795,5 et 780,1 eV sont cohérents avec Co³⁺. Les pics satellites correspondants sont à 784,9 et 803,7 eV. Le spectre O 1s est montré en Fig. 3c, où les pics centrés à 529,6, 531 et 532,5 eV doivent être assignés à l'oxygène lié au métal (O1), l'oxygène défectueux (O2) à faible coordination et l'oxygène dans l'eau (O3) physiquement et chimiquement lié sur et dans la surface respectivement. Ces résultats montrent que le NiCo-HDL-1 a une riche distribution d'états de valence, bénéfique pour l'amélioration de la performance électrochimique.

Les diagrammes de cartographie EDS du NiCo-HDL-1 sont montrés en Fig. 4a-d. On voit sur les figures que les éléments Ni, Co et O sont uniformément distribués sur le matériau, ce qui est en accord avec les résultats XPS.

Pour tester les performances électrochimiques des NiCo-HDL, les tests CV, GCD, EIS et stabilité cyclique sont réalisés dans un système de test typique à trois électrodes. La figure 5a montre les courbes de voltampérométrie cyclique du NiCo-HDL-1 à différents taux de balayage. On voit qu'il y a des pics d'oxydation et de réduction évidents pour tous les échantillons, et les aires des pics anodiques et cathodiques à un taux de balayage fixe sont fondamentalement les mêmes, indiquant que le matériau d'électrode a une excellente réversibilité. Les réactions redox peuvent s'exprimer comme : Ni(OH)₂ + OH⁻ ↔ NiOOH + H₂O + e⁻ ; Co(OH)₂ + OH⁻ ↔ CoOOH + H₂O + e⁻ ; CoOOH + OH⁻ ↔ CoO₂ + H₂O + e⁻.

La figure 5b présente les courbes CV des NiCo-HDL au taux de balayage de 5 mV s⁻¹. On voit que les courants de pics d'oxydation et réduction du NiCo-HDL-1 sont significativement plus élevés que ceux des NiCo-HDL-2, NiCo-HDL-3 et NiCo-HDL-0, et l'aire enclose par la largeur de pic et les intensités de courant de pic augmente séquentiellement. Selon la littérature, l'aire enclose par la courbe peut refléter la contribution du matériau à la capacitance. Plus l'aire intégrale enclose est grande sous le même taux de balayage et fenêtre de tension, meilleure est la performance capacitive du matériau, donc le NiCo-HDL-1 régulé par diminution de la teneur en urée améliore la performance capacitive. De plus, on observe sur les courbes CV de la NF à 5 mV s⁻¹ que l'aire des courbes CV pour la NF est négligeable comparée aux autres échantillons, indiquant que la contribution capacitive de la NF est insignifiante.

Les courbes de charge et décharge galvanostatique du NiCo-HDL-1 à différentes densités de courant sont montrées en Fig. 5c. Évidemment, le NiCo-HDL-1 a une capacitance spécifique ultra-élevée de 4166 (1667 C g⁻¹) et 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) à des densités de courant de 0,5 et 1 A g⁻¹ respectivement. À la forte densité de courant de 10 A g⁻¹, une capacitance de 2550 F g⁻¹ (1020 C g⁻¹) peut encore être conservée. En comparant avec les résultats de la littérature (Tableau 1), notre travail est plus avantageux.

La figure 5d montre les courbes de charge/décharge galvanostatique des NiCo-HDL sous la même densité de courant et fenêtre de tension. On observe que lorsque la teneur en urée diminue, les temps de charge et décharge des NiCo-HDL deviennent plus longs tour à tour. La capacitance spécifique passe de 2405 F g⁻¹ (962 C g⁻¹) pour NiCo-HDL-3 à 3052,5 F g⁻¹ (1221 C g⁻¹) pour NiCo-HDL-2 et finalement augmente à 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) pour NiCo-HDL-1. Cela illustre que le changement de teneur en urée a une influence importante sur la réaction redox des matériaux. La raison est qu'avec une haute teneur en urée, les NiCo-HDL croissent principalement dans la direction parallèle à la surface de la NF latéralement, et les couches sont empilées ensemble, augmentant l'épaisseur globale des couches, de sorte que l'électrolyte ne peut pas bien pénétrer et les réactions redox résultant en pseudocapacitance ne peuvent se faire que sur ou près de la surface. La diminution de la teneur en urée améliore la dispersibilité du matériau. Les NiCo-HDL se débarrassent progressivement de l'état empilé entre les couches. La structure de croissance tridimensionnelle rend les structures de couches du matériau plus minces et les pores évidents. Cela fournit plus de sites actifs pour la réaction et réduit la résistance de diffusion et la distance de migration des ions d'électrolyte, favorisant la transmission et diffusion des ions, améliorant ainsi grandement la performance pseudocapacitive du matériau. Selon la courbe GCD du NiCo-HDL-0, la capacitance de l'échantillon est 1232,5 F g⁻¹ (493 C g⁻¹) à 1 A g⁻¹, plus faible que celles des échantillons obtenus avec urée. Cela confirme davantage que la structure modifiée incluant morphologie et épaisseur causée par l'introduction d'urée a un effet positif sur les propriétés électrochimiques des NiCo-HDL.

La figure 5e montre la stabilité cyclique des NiCo-HDL. Sous densité de courant de 10 A g⁻¹, le taux de rétention de capacitance du NiCo-HDL-1 est supérieur à 93,6% après 1000 cycles, plus élevé que 88,9% et 83% pour NiCo-HDL-2 et NiCo-HDL-3 respectivement. Cependant, le taux de rétention du NiCo-HDL-0 n'est que 54,9%. Cela indique qu'une teneur en urée appropriée peut améliorer efficacement la stabilité des matériaux d'électrode. De plus, pendant les cycles 100 à 500, la rétention de capacitance du NiCo-HDL-1 est supérieure à 100%, suggérant que la structure de couches verticales plus fines pendant ce processus cyclique peut suffisamment faire diffuser l'électrolyte vers la surface proche de la substance active pour soutenir le processus de réaction redox. La figure 5f montre le résultat du test EIS pour les NiCo-HDL. Les diagrammes de Nyquist sont composés de deux parties : région haute fréquence et basse fréquence, correspondant à un demi-cercle et une section de ligne respectivement. Le diamètre du demi-cercle en haute fréquence reflète la résistance de transfert d'électrons. Plus le diamètre est petit, plus la résistance est faible. La pente de la ligne représente la capacité de diffusion des ions d'électrolyte sur la surface du matériau. Plus la pente est élevée, plus la capacité de diffusion est forte. Pour les échantillons NiCo-HDL-1, NiCo-HDL-2 et NiCo-HDL-3, lorsque la teneur en urée diminue progressivement, la résistance de transfert et la distance de migration des électrons diminuent pour les électrodes correspondantes, le taux de transmission des ions vers la surface de l'électrode augmente, et la conductivité du matériau s'améliore progressivement. Cependant, pour l'échantillon NiCo-HDL-0, bien que la résistance de transfert d'électrons soit relativement faible, le taux de transmission des ions est trop lent pour correspondre à la capacité de transmission électronique, ce qui mène à une performance électrochimique pauvre.

L'excellente performance électrochimique du NiCo-HDL-1 comme électrode positive est confirmée davantage par la fabrication d'un supercondensateur asymétrique à deux électrodes avec les sphères de carbone comme électrode négative. La figure 6a montre les courbes CV de l'électrode sphère de carbone et NiCo-HDL-1 à 10 mV s⁻¹. Les électrodes sphère de carbone et NiCo-HDL-1 avec fenêtres de potentiel de -1 ~ 0 et 0 ~ 0,5 V peuvent être assemblées en un dispositif stabilisé avec tension étendue de 1,5 V efficacement, comme montré par les courbes CV à 10 mV s⁻¹ du dispositif en Fig. 6b.

Après comparaison des Fig. 6a, b, deux distinctions principales sont observées nettement entre elles en fenêtre de potentiel et forme de courbe CV. Les causes résident dans : 1) Relatif à l'électrode de référence calomel saturé, la fenêtre de tension du NiCo-HDL-1 unique et des électrodes sphères de carbone est 0 ~ 0,4 et -1 ~ 0 V dans un système à trois électrodes respectivement. Cependant, après utilisation du NiCo-HDL-1 comme électrode positive pour fabriquer un supercondensateur asymétrique à deux électrodes avec sphères de carbone comme électrode négative, la fenêtre de tension du dispositif est relative à l'électrode négative (sphères de carbone avec gamme -1 ~ 0 V). Donc, après équilibrage des charges, le dispositif assemblé par deux électrodes avec processus opposés peut fonctionner sous fenêtre de potentiel 0 ~ 1,4 V. 2) Comme montré en Fig. 6b, les courbes CV du supercondensateur asymétrique montrent un couple de pics distincts sous différents taux de balayage, confirmant les caractéristiques typiques de pseudocapacitance Faradaïque contribuées par NiCo-HDL-1. De plus, une courbe CV quasi-rectangulaire plus claire ainsi qu'un processus de charge/décharge approximativement linéaire en Fig. 6b, c pour le supercondensateur asymétrique comparé à celui pour NiCo-HDL-1 confirment davantage la réactivité capacitive améliorée due à l'effet de capacitance de double couche électrique généré par les sphères de carbone. Ainsi, le supercondensateur asymétrique fabriqué exhibe une variation de l'apparence de la courbe CV relative aux électrodes uniques NiCo-HDL-1 et sphères de carbone. Cela résulte de l'unification des supériorités de deux matériaux d'électrode avec divers mécanismes de stockage de charge. Avec cet avantage, la tension du dispositif peut être améliorée, contribuant à la promotion des densités de puissance et d'énergie.

Les courbes GCD à différentes densités de courant sont exhibées en Fig. 6c avec gamme de tension 0 ~ 1,4 V. Selon les calculs, les capacitances spécifiques du supercondensateur asymétrique sont 95 (132,9) et 57 F g⁻¹ (79,75 C g⁻¹) sous densités de courant de 1 et 5 A g⁻¹ respectivement. La densité d'énergie maximale est 25,9 Wh kg⁻¹ à la densité de puissance de 701,6 W kg⁻¹. Pendant ce temps, la courbe basse fréquence de l'EIS montrées dans l'encart de Fig. 6d est presque verticale, indiquant que les ions d'électrolyte ont une excellente capacité de navette entre électrodes positive et négative. La stabilité cyclique du dispositif est aussi évaluée par test répété de charge/décharge à 10 A g⁻¹. Comme montré en Fig. 6d, la rétention de capacitance est supérieure à 78% après 1000 cycles.

Conclusions

Une méthode hydrothermale simple et efficace en une étape est utilisée pour synthétiser divers NiCo-HDL. Les nanostructures des NiCo-HDL peuvent être ajustées en optimisant la teneur en urée, améliorant ainsi leur performance électrochimique comme matériaux d'électrode. Les conséquences des caractéristiques structurales montrent qu'avec la diminution de la teneur en urée, les nanosheets NiCo-HDL-1 exhibent une dispersité bien améliorée et forment une structure poreuse mince avec une épaisseur de seulement 1,62 nm, créant plus de sites actifs pour la réaction redox, renforçant l'affinité entre électrolyte et matériau d'électrode, raccourcissant le chemin de diffusion ionique et améliorant la capacité de transfert d'électrons. Le NiCo-HDL-1 affiche une capacitance spécifique excellente de 3982,5 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹ et une rétention de capacitance supérieure à 93,6% sur 1000 cycles sous haute densité de courant de 10 A g⁻¹. L'excellente performance électrochimique du NiCo-HDL-1 est attestée davantage par la fabrication d'un supercondensateur asymétrique à deux électrodes avec sphères de carbone. La capacitance spécifique est 95 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹, et la rétention de capacitance supérieure à 78% sur 1000 cycles. Ces résultats indiquent que les NiCo-HDL sont des matériaux de stockage d'énergie de prochaine génération avec de grandes perspectives d'application et offrent une haute possibilité pour le développement de supercondensateurs à haute énergie.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données utilisés et/ou analysés pendant l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

NiCo-HDLs :

Hydroxydes doubles lamellaires nickel-cobalt

HMTs :

Hydroxydes de métaux de transition

Ni :

Nickel

Co :

Cobalt

NF :

Mousse de nickel

XRD :

Diffractomètre automatique à rayons X

XPS :

Spectromètre de photoélectrons à rayons X

MEB :

Microscope électronique à balayage

MET :

Microscope électronique à transmission

AFM :

Microscope à force atomique

EDS mapping :

Cartographie d'éléments par spectroscopie X à dispersion d'énergie

CV :

Voltampérogrammes cycliques

GCD :

Courbes de charge/décharge galvanostatique

EIS :

Impédance électrochimique

ASC :

Supercondensateur asymétrique