> CAS號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù) > 21041-93-0 > 21041-93-0 / Nat. Commun. 氫氧化鈷膺電容原子級(jí)別的能量存儲(chǔ)
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氫氧化鈷是一種具有高容量和長(zhǎng)循環(huán)性能的電極材料。其能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化機(jī)理從原子層面的分析一直不甚分明。Co(OH)2在循環(huán)伏安過程中會(huì)有一對(duì)還原峰的出現(xiàn)，這兩個(gè)峰的分離度極小，從而表明材料存在一種電池模擬機(jī)理的存在，對(duì)其高的膺電容和暢循環(huán)壽命的解釋，需要一種更基礎(chǔ)的理論來說明。
吉林大學(xué)張偉教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)和鄭偉濤教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)制備了一種氫氧化鈷薄膜電極，同時(shí)具備高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)。經(jīng)過15000次充放電循環(huán)后，材料比電容僅下降了8%。團(tuán)隊(duì)利用原位X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜、DFT理論計(jì)算，精確分析了電極材料局域結(jié)構(gòu)中原子的動(dòng)態(tài)演變，發(fā)現(xiàn)高電化學(xué)性能來自充放電氫氧化鈷兩相的結(jié)構(gòu)相似性。該研究成果以“Atomic-level energy storage mechanism of cobalt hydroxide electrode for pseudocapacitors”為題發(fā)表在 Nature Communication上。
1、充放電前后Co(OH)2的X光吸收光譜表征
（a）樣品的XRD衍射數(shù)據(jù)圖。α1和α2分別指示α-Co(OH)2（100）和（110）（PDF，30-0443）以及在1M KOH這個(gè)浸泡15 min之后的Co(OH)2，β1-β6分別指示（001），（100），（101），（102），（110）和（111）（PDF，30-0443）。
（b-e）制備的Co(OH)2樣品，在KOH溶液中浸泡過的Co(OH)2以及經(jīng)過原位X光吸收光譜表征之后的樣品，標(biāo)尺長(zhǎng)度，2 um，2 um，2 um，400 nm的掃描電鏡照片。
（f-j）Co(OH)2以及經(jīng)過原位X射線表征之后的Co(OH)2。（f，h）插入部分紅色圈標(biāo)注的為高分辨透射電鏡區(qū)域。標(biāo)尺的長(zhǎng)度為10 nm，插入部分標(biāo)尺為200 nm.
（g，i）f，h區(qū)域中用白色方框標(biāo)注高分辨電鏡表征區(qū)域，標(biāo)尺長(zhǎng)度，3 nm。
（j）經(jīng)過X光吸收光譜表征之后Co(OH)2的電子顏色譜圖。插入部分標(biāo)出為0.5 nm。
2、 Co(OH)2樣品的循環(huán)壽命以及X光吸收光譜實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
（a）合成的Co(OH)2具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，膺電容在8000次循環(huán)之后保有率達(dá)到95.7%。
（b）原位X光吸收光譜的反應(yīng)池設(shè)計(jì)圖。
（c）Co（OH）2以0.4 mVs-1的掃速下在反應(yīng)池中的原位伏安曲線。A-H的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)原位X光吸收光譜的樣品點(diǎn)。
（d）Co(OH)2電極和CoO標(biāo)準(zhǔn)樣品的X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)對(duì)比數(shù)據(jù)。
3、Co(OH)2和CoOOH轉(zhuǎn)換態(tài)的電極和反應(yīng)模型的原位X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)對(duì)比。
（a）三維模型的完整充放電循環(huán)的原位X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)譜圖。A-H圖線對(duì)應(yīng)圖2c中的位置。
（b）Co(OH)2和CoOOH轉(zhuǎn)換態(tài)的反應(yīng)模型。在充電過中Co(OH)2失去一個(gè)H變成CoOOH,反過來放電過程中CoOOH獲得一個(gè)H。
（c）充電過程中的原位X射線近邊吸收譜圖。
（d）放電過程中的X射線近邊吸收譜圖。
4、利用第一性計(jì)算原理和對(duì)電極的原位延伸X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜圖的比較的相位轉(zhuǎn)換能量分區(qū)曲線以及對(duì)應(yīng)的擬合曲線
（a）所有能量都對(duì)應(yīng)于CoOOH基態(tài)（狀態(tài)C*）的總能量。狀態(tài)A-C代表T1-T3指示的最小狀態(tài)和過渡結(jié)構(gòu)；插入部分圖示了它們的結(jié)構(gòu)。星號(hào)表明利用CoOOH基態(tài)代替了Co(OH)2的基態(tài)。需要注意的是不管有無星號(hào)的結(jié)構(gòu)都對(duì)應(yīng)了CoOOH,因此包含了同樣數(shù)量的H原子。紅色，白色和藍(lán)色的球分別代表了O，H，Co原子。補(bǔ)充材料表3-表5給出了所有最小和過渡狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的優(yōu)化過的原子結(jié)構(gòu)的總能量。
（b）三維過渡模型的原位延伸X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)。標(biāo)簽A-H對(duì)應(yīng)了圖2c中標(biāo)注的位置。
（c，d）充電和放電過程的原位延伸X射線吸收精細(xì)機(jī)構(gòu)。
（e-g）圖線A，D和H里面的擬合結(jié)果。黑色實(shí)線代表了實(shí)驗(yàn)曲線，紅色點(diǎn)狀線是擬合數(shù)據(jù)。
團(tuán)隊(duì)利用循環(huán)8000次后容量保有率達(dá)95.7%的Co(OH)2電極展示的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換機(jī)理。利用原位測(cè)試設(shè)備，以及第一性計(jì)算原理揭示了該機(jī)理的更多細(xì)節(jié)，表明了在充放電過程中，能量?jī)?chǔ)存沒有引起巨大的結(jié)構(gòu)變化，只有細(xì)微的改變和原子之間的調(diào)整。這種原子級(jí)別的電池模擬機(jī)理可以應(yīng)用到膺電容設(shè)計(jì)上，對(duì)新型超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。
原文鏈接：Atomic-level energy storage mechanism of cobalthydroxide electrode for pseudocapacitors（Nat. Commun.，2017, DOI: 10.1038/ncomms15194 ）