阳离子取代对尖晶石型硫化物储能性能的影响

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.007

石油化工高等学校学报 ›› 2022, Vol. 35 ›› Issue (6): 59-65.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.007

阳离子取代对尖晶石型硫化物储能性能的影响

李磊¹(), 王昆彦¹^,², 王育乔¹()

^1.东南大学化学化工学院，江苏南京 211189
^2.金陵科技学院材料工程学院，江苏南京 211169

收稿日期:2022-05-06 修回日期:2022-07-01 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-07
通讯作者: 王育乔
作者简介:李磊（1997⁃），男，硕士研究生，从事纳米储能材料方面的研究；E⁃mail：1206224626@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(61774033)

Effect of Cation Substitution on Energy Storage Performance of Spinel Sulfides

Lei Li¹(), Kunyan Wang¹^,², Yuqiao Wang¹()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 211189，China
^2.School of Material Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211169，China

Received:2022-05-06 Revised:2022-07-01 Published:2022-12-25 Online:2023-01-07
Contact: Yuqiao Wang

摘要/Abstract

摘要：

非对称超级电容器具有快速充放电、高功率密度和长期循环稳定等特点，电极材料的性质对其性能起到决定性作用，利用阳离子取代是调节电极材料结构、性质和优化储能性能的有效方法。通过控制尖晶石型硫化物中的阳离子组成，采用水热法在泡沫镍基底表面制备了MCo₂S₄（M代表Co、Ni或Cu）纳米片阵列。由于金属离子半径和电负性差异，向Co₃S₄中引入Ni²⁺或Cu²⁺形成NiCo₂S₄或CuCo₂S₄，会诱导其晶格结构发生应变，从而提升金属位点的反应活性。相比于Co₃S₄，NiCo₂S₄的电荷转移电阻和离子扩散电阻分别下降了48.6%和28.7%，获得了良好的电化学性能。当电流密度为1 A/g时，NiCo₂S₄的比容量为1 128.8 F/g；当电流密度为10 A/g时，比容量保持率为59.8%；经过8 000次循环后仍保持60.2%的初始比容量。

关键词: 金属硫化物, 阳离子取代, 电荷转移, 离子扩散, 超级电容器

Abstract:

Asymmetric supercapacitors(ASCs) have the merits of rapid charge and discharge,high power density,and long?term cyclic stability.The properties of electrode materials determine the performance of ASCs.Cation substitution is an effective method to tune the structure and properties of electrode materials and optimize energy storage performance accordingly.This paper prepared MCo₂S₄(M=Co,Ni,or Cu) nanosheet arrays on the surface of a nickel foam substrate.For this purpose,it controlled the cationic components of the spinel sulfide and employed a hydrothermal method.Due to the differences in the radius and electronegativity of metal irons,the lattice structure of Co₃S₄ underwent strain when Ni²⁺ or Cu²⁺ ions were introduced into Co₃S₄ to obtain NiCo₂S₄ or CuCo₂S₄.The result was reinforced reactivity of the metal sites.The charge transfer and ion diffusion resistances of NiCo₂S₄ are respectively 48.6% and 28.7% lower than those of Co₃S₄,indicating favorable electrochemical properties achieved.The specific capacity of NiCo₂S₄ is 1 128.8 F/g under a current density of 1 A/g.The capacity retention is 59.8% under a current density of 10 A/g.The retention of the initial specific capacity is 60.2% after 8 000 cycles.

Key words: Metal sulfide, Cation substitution, Charge transfer, Ion diffusion, Supercapacitor

中图分类号:

TQ152

李磊, 王昆彦, 王育乔. 阳离子取代对尖晶石型硫化物储能性能的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 59-65.

Lei Li, Kunyan Wang, Yuqiao Wang. Effect of Cation Substitution on Energy Storage Performance of Spinel Sulfides[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(6): 59-65.

图/表 7

图1 MCo2S4的制备流程示意图

Fig.1 Schematic illustration for the synthesis of MCo2S4

图2 MCo2S4的SEM表征和元素分布图

Fig.2 SEM images and elemental mappings of MCo2S4

图3 MCo2S4的XRD谱图

Fig.3 XRD patterns of MCo2S4

表1 MCo2S4的晶格参数和晶胞体积

Table 1 The lattice parameters and unit cell volumes of MCo2S4

硫化物	a/nm	b/nm	c/nm	α=β=γ/(°)	V/nm³	空间群
Co₃S₄	0.943	0.943	0.943	90	0.838 56	Fd⁃3m
NiCo₂S₄	0.937	0.937	0.937	90	0.822 66	Fd⁃3m
CuCo₂S₄	0.948	0.948	0.948	90	0.849 28	Fd⁃3m

图4 MCo2S4的电化学性能曲线

Fig.4 Electrochemical properties curve of MCo2S4

图5 MCo2S4在电流密度为10 A/g时的循环稳定性

Fig.5 Cycling performance of MCo2S4 at 10 A/g

图6 NiCo2S4//AC超级电容器的电化学性能测试曲线

Fig.6 Electrochemical properties curve of NiCo2S4//AC supercapacitor

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Effect of Cation Substitution on Energy Storage Performance of Spinel Sulfides

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