基于纳米棒的电极材料在氧化还原添加剂电解质中作为卡特蓄电池型对称超级电容器系统用于储能应用

超级电容器因其高功率密度和快速充放电能力而成为卓越的储能挑选。本研讨探究经过简易水热法制备ZrW2纳米棒8 并评价其结构、描摹及电化学功能针对超级电容器运用，我们选用X射线衍射、显微剖析及光谱学方法对资料的结构特性、描摹特征与元素组成进行了体系表征。热重剖析（TGA）标明其在宽温度规模内具有优异的热稳定性。ZrW纳米棒2作为活性电极资料在6 M KOH + 0.2 M K8 [Fe(CN)]氧化复原体系中被测验3添加剂电解质6(RAE)。电化学评价包含循环伏安法(CV)、计时电位法(CP)、电化学阻抗谱在三电极和两电极构型下分别进行了电化学阻抗谱(EIS)和循环稳定性测验。优化后的体系展现出高比电容(C在电流密度为0.5 A/g条件下获得813F/g的比电容（C_s）。对称型ZrW超级电容器构型在相同条件下测得比电容为301.66F/g。该对称体系中的电极资料展现出优异的s能量密度2（15.08 Wh/kg，功率密度299.99 W/kg），并在三电极与双电极体系中经过4000次接连充放电循环（10 A/g）后，分别保持87.92%和80.64%的电容保存率。8 supercapacitor configuration, a Cs of 301.66F/g was observed under similar conditions. Furthermore, the electrode material in the symmetric system showcased an impressive energy density of 15.08 Wh/kg at a power density of 299.99 W/kg, along with capacitive retention rates of 87.92 % and 80.64 % after 4000 continuous charge–discharge cycles at 10 A/g in three-electrode and two-electrode systems, respectively.
考虑到全球动力消耗的惊人增长，现代社会有必要立即开发新型动力[1]。尽管太阳能和风能等清洁环保的发电方法具有间歇性，但经过先进的储能体系保证所发电力的高效运用至关重要[2]。这凸显了开发杂乱能量转化与存储体系的重要性，特别是面向Gen的动力解决方案[3]。现在存在多种可以存储或将能量转化为其他方式的设备。其中，电化学储能设备（EESDs）包含锂离子电池、燃料电池、超级电容器、锂硫电池和锌锰电池2因为其所产生能量的可再生特性，电池被视为环境友好型储能的有前途挑选[4][5][6][7]。这类设备可根据能量密度、功率密度、效率、电导率、电压规模及电流密度等参数进行区别[8]。在各类电化学储能设备中，超级电容器（SCs）展现出明显特性，包含超长循环寿命、高功率密度、经济性、轻量化、环境友好性以及快速充放电能力[4][8][9]。
超级电容器，又称电化学电容器或超级电容，是一类兼具传统电容器高比功率与可充电电池高比能量优势的能量存储器材[10]。现在针对超级电容器的运用探究已包含移动电子设备、备用电源及混合动力汽车等多个范畴[11][12]。其既可独立作为首要电源运用，亦可与电池体系联用，在需求时供给额外功率支撑[13]。一般，超级电容器的储能机制可分为电容型与赝电容型两类。电容型（或称非法拉第型）储能依赖于电极/电解质界面处的电荷分离，构成双电层电容器（EDLCs）；而赝电容过程则经过电活性资料内部快速可逆的法拉第氧化复原反响完成，借助多氧化态特性[11]构成赝电容器。与传统双电层电容器（EDLCs）不同，赝电容器经过快速可逆氧化复原反响完成了更高的电容和能量密度[14][15]。%% 其他类型电极资料经过结合双电层电容与赝电容机制，构建出混合型或电池型超级电容器，这类器材同时基于静电存储与电化学存储原理作业[16]。混合电容器因兼具双电层与赝电容行为，在能量密度、功率密度和循环稳定性方面均优于传统EDLCs和赝电容器[17]。%% 根据最新综述研讨，规划氧化物、氮化物及碳化物等赝电容与电池型资料的纳米结构，将成为完成高比电容的下一个打破方向[18]。
高效电极资料的开发对储能运用具有至关重要的含义[19]。近年来，纳米资料的共同特性引起了广泛关注[20]。在各类纳米资猜中，一维纳米结构（如纳米棒、纳米管、纳米线等）因为在电子学、光学、磁学等范畴的潜在运用而展现出明显前景[18][21]。过渡金属钨酸盐（TMT）纳米结构因其可调控的物理化学特性而受到广泛研讨[22]。这种多功能性使钨酸盐成为极具运用潜力的资料，包含激光基质、闪耀体、光阳极、锂离子电池、超级电容器、光催化剂、气体传感器、电化学传感器等许多范畴[23]。然而，关于将TMTs用作储能资料的文献记录却相对有限[24]。
钨酸锆（ZrW2）是TMT宗族的特别成员，以其共同的近零或各向同性负热膨胀系数（NTE）特性而闻名[25]。NTE资料具有失常热收缩特性，这对电池和超级电容器的热办理与形变控制具有重要研讨价值[26][27]。ZrW8该资料在0.3至1050 K温度规模内表现出各向同性的负热膨胀特性，这一区间包含了大多数常见电池的作业温度[27]。迄今为止，针对ZrW2O8负热膨胀功能的研讨已较为充沛2，而对其其他性质的研讨相对较少[28]。除体积变化外，负热膨胀资料一般具有较差的电化学功能。因而，这类资料常被用于改性具有正热膨胀特性的其他资料，经过运用其负热膨胀特性来削减形变8循环过程中产生的热量[29]。其他表现出负热膨胀(NTE)的资料因为其各向异性扩展包而更易开裂，这会下降其机械强度。另一方面，ZrW2在宽温度规模内近乎零或各向同性的负热膨胀特性有助于下降热应力[30]。这一特性可避免变形和微裂纹构成等机械损伤方式[29][31]。8, with relatively few studies on its other properties [28]. Aside from volume changes, NTE materials usually possess poor electrochemical performance. Accordingly, they are frequently employed to alter other materials possessing positive thermal expansion characteristics to reduce deformation by utilizing the heat produced throughout cycles [29]. Other materials that exhibit NTE, fracture more easily due to their anisotropic expansion, which reduces their mechanical strength. On the other hand, ZrW2O8′s almost zero or isotropic negative thermal expansion across a wide temperature range helps to reduce thermal stress [30]. This feature aids in preventing deformation and microcrack formation, among other forms of mechanical damage [29], [31].
电化学功能的优化明显受纳米结构晶体结构、描摹和尺寸的影响[32]。因而，制造具有准确规划形状的纳米结构关于提升其效能至关重要[33]。将电极资料简化为一维结构在超级电容器运用中具有多项优势：1)为电子快速迁移供给直接路径，2)进步快速电解质的可触摸性并缩短扩散距离，从而完成快速电荷转移，3)添加表面活性原子的存在对提升电化学反响速率具有关键作用[33][34]。超级电容器中电极的行为还明显受电解质影响[35]。因而，在制造高功能超级电容器时，挑选最佳电解质至关重要。向电解质中添加特定氧化复原添加剂是提升电极资料比电容的另一有效途径[10]。现在文献报导了多种可用于超级电容器的氧化复原添加剂，包含K3Fe(CN)6、KI以及最近呈现的氧化复原添加剂聚合物[3]。其中，K3Fe(CN)6因其在电化学过程中可以经过共同的氧化/复原态供给多个氧化复原活性位点，已被确以为一种优异的挑选[10]。提升电容功能的底子特征在于电极表面和电解液中氧化复原活性位点的添加[3]。
本研讨选用ZrW2纳米棒经过酸性介质中的水热法合成，未添加任何醇类试剂，并研讨了其结构、描摹及电化学功能在超级电容器中的运用。电化学剖析选用三电极体系进行。作业电极经过将含有活性物质、导电剂和粘结剂的电极资料浆料直接涂覆在泡沫镍集流体上制备而成。集流体（CC）作为将电流从电源传导至电极的关键组件，对超级电容器的电化学功能具有重要影响[36]。当前可用的集流体资料包含碳布、不锈钢、铝、铜、镍泡沫及箔片等多种类型。其中，镍泡沫因其高导电性和多孔结构而成为较优挑选，这种结构能有效促进物质传输并添加电极比表面积[37]。粘结剂可增强集流体-电极资料界面的耐久性，避免其在运用过程中产生功能劣化[3]。8 nanorods are synthesized by the hydrothermal route in an acidic medium without adding any alcoholic agents and studied its structural, morphological, and electrochemical properties for supercapacitor application. The electrochemical analysis is carried out by utilizing a three-electrode setup. The working electrode is prepared by directly coating the electrode material slurry containing the active material, conducting agent, and binder in a nickel foam current collector. The current collector (CC), which transports the current from the current source to the electrode, plays a significant role in the electrochemical performance of supercapacitors [36]. There are a range of current collectors, including carbon cloth, stainless steel, aluminum, copper, nickel foam and foil, and more. Among them, nickel foam is one of the better options because of its high electrical conductivity and porous structure, which increase mass movement and surface area [37]. Binders enhance the durability of the interface between the collector-electrode material, safeguarding it against degradation over time [3].