JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析【研究背景】

   近几年,纳米材料的发展使得Co3O4用作超级电容器电极材料取得了较大的突破,各种纳米结构的Co3O4电极材料,如纳米线,纳米片,纳米针以及纳米花等都相继被报导。超级电容器电极材料结构的纳米化可以极大的增加电极与电解液的实际接触面积,缩短离子/电子传输距离,提高氧化还原反应强度,从而使得电极材料的储能性能得到较大提高。目前的研究使得Co3O4电极材料储能性能有很大提高,但距离其理论容量还有非常大的差距。此外,对于纳米化的Co3O4电极材料,即时具有几乎相同的纳米结构形貌,仍然展出了较大的性能差异。根据S. Trasatti等人的研究,仅仅将这种差异归结于电极材料比表面积的不同是不够准确的。而且,Co3O4用作超级电容器电极材料仍然有较多的机理尚未明确。

【工作内容】

    针对Co3O4电极材料纳米化存在的问题,兰州大学彭尚龙教授通过动力学分析和DRT计算系统研究了晶粒尺寸与Co3O4电极材料电化学性能的构效关系。该研究工作通过控制退火温度,制备了不同晶粒尺寸的Co3O4电极材料。然后,通过运用动力学分析法,深入探究了晶粒尺寸对其电化学性能的影响。结果表明,晶粒尺寸的增大会导致电极材料扩散贡献容量(diffusion contribution)和电容贡献容量(capacitive contribution)的急剧降低。另外,该工作还对电极材料进行了DRT(distribution of relaxation times )分析。结果表明,晶粒尺寸较大的Co3O4电荷转移活化能和离子扩散活化能要远远大于晶粒尺寸较小的电极材料。活化能的增加表明,晶粒尺寸的增大在一定程度上会抑制电极材料氧化还原反应的发生,从而导致电极材料储能性能的降低。该研究首次将晶粒尺寸与活化能的关系引入到影响超级电容器电极材料性能的因素当中,为超级电容器性能差异提供了一种新的分析方法。相关成果以“Effect of grain size on electrochemical performance and kinetics of Co3O4 electrode material”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上面。郝加新博士和武文杰硕士为本文的共同第一作者,彭尚龙教授和闫德副教授为通讯作者。

【图文导读】

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析 图1. (a) XRD测试结果;(b-d) 不同晶粒尺寸的Co3O4TEM表征。

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析图2. (a-c) 不同晶粒尺寸的Co3O4电极材料的电化学性能测试结果。

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析图3. (a-d) 晶粒尺寸对Co3O4电化学性能影响的动力学分析。

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析图4. (a-i) 不同晶粒尺寸的Co3O4电极材料DRT分析计算。

JMCA: 晶粒尺寸对Co3O4电极材料的电化学性能影响及动力学分析图5. (a-c) 不同晶粒尺寸的Co3O4电极材料的活化能。

Jiaxin Hao, Wenjie Wu, Qiao Wang, De Yan*, Guohan Liu*, Shanglong Peng*, Effect of grain size on electrochemical performance and kinetics of Co3O4 electrode material. Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI:10.1039/D0TA02032J

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参考文献:Journal of Materials Chemistry A