Hidróxidos Doblados Capas Níquel-Cobalto Diseñados: Nano-láminas de Capa Fina Ajustables para Rendimiento Superior de Supercapacitores

Resumen

Los hidróxidos dobles capas como materiales de electrodo típicos de supercapacitores pueden exhibir rendimiento superior de almacenamiento de energía si sus estructuras están bien reguladas. En este trabajo, un método hidrotérmico simple de un paso se usa para preparar diversos hidróxidos dobles capas níquel-cobalto (NiCo-LDH), en los que diferentes contenidos de urea regulan las diferentes nanoestructuras de NiCo-LDH. Los resultados muestran que la disminución del contenido de urea puede mejorar efectivamente la dispersibilidad, ajustar el espesor y optimizar las estructuras de poros internos de NiCo-LDH, mejorando así su rendimiento capacitivo. Cuando el contenido de urea se reduce de 0,03 a 0,0075 g bajo una relación de masa fija de precursores de níquel (0,06 g) a cobalto (0,02 g) de 3:1, la muestra preparada NiCo-LDH-1 exhibe espesor de 1,62 nm, y se forman claras estructuras de nano-láminas de capa fina y un gran número de poros superficiales, lo que es beneficioso para la transmisión de iones en el material de electrodo. Tras prepararse como electrodo de supercapacitor, NiCo-LDH-1 muestra una capacitancia específica ultra-alta de 3982,5 F g⁻¹ bajo densidad de corriente de 1 A g⁻¹ y alta retención de capacitancia superior a 93,6% después de 1000 ciclos de carga y descarga a alta densidad de corriente de 10 A g⁻¹. El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se demuestra ensamblando supercapacitor asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono, mostrando capacitancia específica de 95 F g⁻¹ a 1 A g⁻¹ con retención de capacitancia de 78% sobre 1000 ciclos. El trabajo actual ofrece una forma fácil de controlar la nanoestructura de NiCo-LDH, confirma la importante influencia de la urea en la mejora del rendimiento capacitivo para electrodo de supercapacitor y brinda alta posibilidad para el desarrollo de supercapacitores de alto rendimiento.

Introducción

Como dispositivo de almacenamiento de energía ambientalmente amigable, el supercapacitor está atrayendo mucha atención debido a sus ventajas únicas incluyendo larga vida cíclica, reversibilidad superior, alta densidad de potencia y gran fiabilidad. En años recientes, se ha aplicado potencialmente en muchas aplicaciones prospectivas como automóviles eléctricos, dispositivos vestibles inteligentes y computadoras portátiles, lo que es de gran importancia para la futura utilización y almacenamiento de energía. Sin embargo, la menor densidad de energía de los supercapacitores siempre ha sido una razón importante para limitar su desarrollo posterior. Es bien conocido que el factor crucial para determinar la capacidad del supercapacitor es la propiedad electroquímica del material de electrodo. Así, la solución principal actual es desarrollar materiales de electrodo con excelentes propiedades electroquímicas. Materiales de carbono, óxidos de metales de transición, hidróxidos de metales de transición (TMH) y polímeros conductores son los principales materiales usados como electrodos de supercapacitores. Entre ellos, nanomateriales multi-híbridos de TMH se han convertido en una fuerte tendencia de exploración debido a la existencia de efecto sinérgico, controlabilidad superior de composición química, actividad redox excepcional y excelente rendimiento de intercambio aniónico. Como TMH típico, el hidróxido níquel-cobalto es favorecido por su bajo precio, proceso de preparación simple y alta capacitancia teórica. Sin embargo, sigue siendo un gran desafío obtener materiales de electrodo de alto rendimiento de hidróxidos níquel-cobalto por un método simple.

Las propiedades electroquímicas de hidróxidos níquel-cobalto dependen en gran medida de las nanoestructuras morfológicas especiales y composiciones de iones metálicos. En estudios previos, Wu et al. sintetizaron arrays de nano-láminas de hidróxidos dobles capas níquel-cobalto porosos jerárquicos dopados con vanadio que proporcionaron capacitancia específica alta de 2960 F g⁻¹ a densidad de corriente de 1 A g⁻¹. Yan et al. diseñaron microesferas huecas de hidróxido doble capa níquel-cobalto con morfología tipo hortensia, exhibiendo capacitancia específica de 2158,7 F g⁻¹ bajo densidad de corriente de 1 A g⁻¹. Otros esfuerzos se hicieron para disminuir resistencia, aumentar conductividad eléctrica de materiales de electrodo y obtener otras morfologías especiales con alta área superficial específica. Cuando el material activo crecía en la superficie del sustrato, formaba una estructura tridimensional en capas que podía asegurar contacto completo entre ion de electrolito y material activo, y mejorar la eficiencia de reacción. Basado en esto, Ouyang et al. obtuvieron capacitancia específica alta de 2047 F g⁻¹ a densidad de corriente de 1 A g⁻¹ fabricando partículas esféricas jerárquicas de hidróxidos dobles capas níquel-cobalto crecidas en carbono poroso de biomasa. Zha et al. diseñaron y fabricaron exitosamente nano-láminas de sulfuro níquel-cobalto altamente abiertas en espuma de Ni, que presentaron baja resistencia y alta capacitancia específica de 2553,9 F g⁻¹ bajo densidad de corriente de 0,5 A g⁻¹. Desafortunadamente, aunque se ha hecho gran progreso en estudios previos sobre hidróxidos en capas níquel-cobalto, la capacitancia específica de la mayoría de ellos como materiales de electrodo aún permanece por debajo de 3000 F g⁻¹.

En este trabajo, proponemos una estrategia fácil y efectiva para crecer NiCo-LDH en espuma de níquel y ajustar las nanoestructuras de materiales de electrodo para mejorar la capacidad de almacenamiento de carga. Los NiCo-LDH se preparan por proceso hidrotérmico de un paso, con la estructura incluyendo dispersidad, espesor y porosidades fácilmente ajustables mediante disminución del contenido de urea bajo una relación de masa Ni a Co fija de 3:1. El óptimo NiCo-LDH-1 muestra nano-láminas de capa fina con espesor de ~1,62 nm y estructuras porosas obvias. La estructura porosa de capa fina puede proporcionar abundantes sitios activos para la reacción redox, aumentar la afinidad del electrolito y materiales de electrodo, y reducir la resistencia de difusión y distancia de migración de iones de electrolito. Como resultado, NiCo-LDH-1 exhibe capacitancia específica ultra-alta de 3982,5 F g⁻¹ bajo densidad de corriente de 1 A g⁻¹, y alta retención de capacitancia superior a 93,6% después de 1000 ciclos de carga y descarga a alta densidad de corriente de 10 A g⁻¹. El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se demuestraさらに ensamblando supercapacitor asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono, mostrando capacitancia específica de 95 F g⁻¹ a 1 A g⁻¹ y retención de capacitancia con 78% sobre 1000 ciclos.

Métodos

La espuma de níquel (NF, 1 cm²) usada en el experimento fue proporcionada por Canrd Co., Ltd., China. Antes del uso, se ultrasonificó en HCl 2 M durante 15 min para remover óxido adherido en la superficie y luego se lavó con grandes cantidades de agua desionizada y etanol para remover iones de la superficie. Después, se secó a 60 °C durante 3,5 h bajo vacío. Todos los demás químicos fueron de grado analítico, comprados de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., en China y usados sin purificación adicional.

En un procedimiento típico, primero 0,06 g NiCl₂·6H₂O y 0,02 g CoCl₂·6H₂O se disolvieron en 80 ml agua desionizada bajo ultrasonicación durante 15 min. Segundo, urea se puso en la solución mixta y se mantuvo ultrasonicación durante 10 min hasta que el sólido se dispersó completamente. Luego NFs con cinta resistente al calor en un lado se adjuntaron diagonalmente al fondo de autoclave de acero inoxidable revestido de teflón después de medir su masa. Finalmente, la solución homogénea se transfirió al autoclave y se mantuvo a 100 °C durante 8 h. Después de la reacción, los NFs enfriados depositados con NiCo-LDH se sacaron y lavaron con agua desionizada para remover impurezas adheridas en la superficie y luego se secaron a 60 °C durante 4 h bajo condición de vacío. Los contenidos totales de urea fueron 0,0075, 0,015 y 0,03 g, respectivamente, correspondiendo a las muestras NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3. La muestra preparada de la misma manera que las mencionadas anteriormente excepto sin agregar urea, se nombró NiCo-LDH-0.

El difractómetro automático de rayos X (XRD, D8 Advance) se usó para medir la estructura cristalina de materiales. El espectrómetro de fotoelectrones de rayos X (XPS, ESCALAB 250Xi) se usó para medir la valencia y contenido de elementos de materiales. Microscopio electrónico de barrido de alto y bajo vacío (SEM, JSM-6360LV) se usó para observar la morfología y composición de la microestructura de la superficie de muestras. Microscopio electrónico de transmisión (TEM, TF20 Jeol 2100F) se usó para observar la ultraestructura del material. Microscopio de fuerza atómica (AFM, Dimension Icon) se usó para obtener información de topografía de superficie y rugosidad de superficie con resolución nanométrica. Mapeo de elementos por espectroscopía de rayos X dispersivos en energía (EDS mapping) se usó para medir la distribución de elementos.

Un sistema típico de tres electrodos en solución 1 M KOH se usó para probar el rendimiento electroquímico. La espuma de níquel crecida con material de electrodo preparado fue el electrodo de trabajo, y la placa de platino y electrodo de calomelano saturado se usaron como contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente, mediante los cuales se midieron voltametrías cíclicas (CV), curvas de carga-descarga galvanostática (GCD), impedancia electroquímica (EIS) y pruebas de estabilidad cíclica. La capacitancia específica C_c (F g⁻¹) y capacidad específica Q (C g⁻¹) de las muestras se pueden calcular según los parámetros obtenidos por curvas de descarga galvanostática, y las expresiones son:

$$\begin{array}{c}{C}_c=\frac{I\times \Delta t}{\Delta V\times m}\end{array}$$ (1)

$$\begin{array}{c}Q=\frac{I\times \Delta t}{m}\end{array}$$ (2)

donde I (A) representa la corriente de descarga; Δt (s) significa el tiempo de descarga; ΔV (V) da la ventana de potencial de descarga; e m (g) corresponde a la masa del material activo, ~0,0012 g.

Un supercapacitor asimétrico (ASC) se fabrica en un sistema de dos electrodos después de balancear las cargas por Q_s+ m_s+ = Q_s- m_s-. NiCo-LDH-1/NF se usa como electrodo positivo, y el electrodo negativo se obtiene mezclando esferas de carbono, negro de carbono y PTFE en proporción 8:1:1 sobre NF. El electrolito es el mismo que en el sistema de tres electrodos, y el rango de ventanas de potencial para ASC es 0 ~ 1,4 V. Para examinar los rendimientos electroquímicos prácticos, la densidad de energía específica E_c (W h kg⁻¹) y densidad de potencia específica P_c (W kg⁻¹) para la configuración asimétrica se calculan como:

$$\begin{array}{c}{E}_c=\frac{{C}_c{\left(\Delta V\right)}^{2}}{2\times 3.6} \end{array}$$ (3)

$$\begin{array}{c}{P}_c=\frac{{E}_c\times 3600}{\Delta t}\end{array}$$ (4)

donde I (A) representa la corriente de descarga; Δt (s) da el tiempo de descarga; ΔV (V) corresponde a las ventanas de potencial; m (g) significa la masa activa total de electrodos positivo y negativo, ~0,0065 g.

Resultados y Discusión

La Figura 1 ilustra las microestructuras y morfologías de NiCo-LDH cultivados en NF preparados con diferentes contenidos de urea. La Figura 1a-l muestra imágenes SEM, imágenes AFM y espesores de las muestras, respectivamente. Como se muestra en Fig. 1a, el NiCo-LDH-3 sintetizado muestra estructuras laminares apiladas e entrelazadas en dirección horizontal paralela a NF. Las estructuras laminares son irregulares y tienen fuerte adhesión. Con el contenido de urea disminuyendo gradualmente, los NiCo-LDH crecen gradualmente en dirección vertical y perpendicular a NF. Como se muestra en Fig. 1c, cuando el contenido de urea se reduce a 0,0075 g, las nano-láminas de NiCo-LDH-1 se entrelazan y distribuyen en la superficie de NF, formando una estructura tridimensional obvia y ricas estructuras de poros entre capas. Las morfologías de estas nano-láminas son beneficiosas para aumentar el área superficial específica del electrodo para proporcionar abundantes sitios reactivos para la reacción. Por tanto, puede aumentar significativamente la superficie de contacto con el electrolito para promover la reacción electroquímica contribuyendo a gran capacitancia específica en la reacción electroquímica. La Figura 1e-l son imágenes AFM para detectar espesores de nano-láminas NiCo-LDH. Para las muestras NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-1, los espesores correspondientes son 3,29, 2,52 y 1,62 nm, respectivamente. Se muestra que el espesor de las nano-láminas del material disminuye gradualmente con la disminución del contenido de urea. La estructura ultra-fina en NiCo-LDH-1 proporciona buenas condiciones para la formación de estructura de poros y acorta la distancia de transferencia de iones. Sin embargo, la imagen SEM de NiCo-LDH-0 (Fig. 1d) muestra que la muestra preparada sin agregar urea también muestra estructuras laminares, pero el espesor es 3,31 nm (Fig. 1h, l), que es más grueso que los de otras muestras preparadas con urea. Implica que las microestructuras y morfologías de NiCo-LDH pueden verse afectadas por el contenido de urea. En el proceso para obtener muestras involucrando urea, la urea se descompone lentamente en NH₃ y CO₂ a alta temperatura yさらに produce CO₃²⁻, NH₄⁺ e iones OH⁻ por reacción con agua. Bajo condición de menor contenido de urea, iones Co²⁺ y Ni²⁺ tienen pocos sitios de contacto con OH⁻, que formarán estructuras de nano-láminas de capa más fina. Sin embargo, el grabado no ocurre durante el proceso de la muestra preparada sin urea. Como resultado, comparado con muestras obtenidas con urea, el espesor de la muestra sin agregar urea se vuelve más grueso.

Los espectros XRD de NiCo-LDH se muestran en Fig. 2a. Comparados con la tarjeta PDF estándar, todos los materiales pueden asignarse a Ni₀,₇₅Co₀,₂₅(CO₃)₀,₁₂₅(OH)₂₀,₂₁₅·0,38H₂O (PDF#40-0216). Los picos de difracción a 2θ de 11,59°, 23,14°, 34,95°, 39,40°, 62,44° y 65,96° corresponden a hidróxidos níquel-cobalto (003), (006), (012), (015), (113) y (116) planos cristalinos, respectivamente. La micro-morfología detalle de NiCo-LDH-1 se caracterizaさらに por TEM. Como se muestra en Fig. 2b-d, NiCo-LDH-1 aparece como capas porosas finas y hay muy poca apilamiento entre capas. Esto es porque el contenido reducido de urea mejora la dispersibilidad del material y reduce el apilamiento lateral entre capas. La estructura de crecimiento tridimensional hace la estructura de lámina del material más fina y tiene poros obvios. La existencia de la estructura porosa de capa fina puede aumentar enormemente la inmersión del electrolito en el material de electrodo, reducir la resistencia de difusión y distancia de migración de iones de electrolito.

La Figura 3 muestra el análisis XPS de NiCo-LDH-1. Para el espectro XPS Ni 2p en Fig. 3a, se observan dos picos principales alrededor de 873,1 y 855,5 eV correspondientes a Ni 2p₁/₂ y Ni 2p₃/₂, respectivamente. Los picos con energía de enlace a 874,4 y 856,5 eV se atribuyen a Ni³⁺, mientras que los picos de ajuste a 873,1 y 855,3 eV corresponden a Ni²⁺. Mientras tanto, los picos a 872,1 y 854,2 eV implican la presencia de Ni⁰ que se atribuyen a NF y otros dos picos a 878,8 y 861,2 eV pueden asignarse a picos satélite. Similarmente, Fig. 3b muestra el espectro XPS ajustado de Co 2p, y dos picos principales localizados en 796,1 y 780,8 eV se indexan a Co 2p₁/₂ y Co 2p₃/₂, respectivamente. Los dobletes a 796,9 y 781,5 eV concuerdan con Co²⁺, mientras que los otros dobletes a 795,5 y 780,1 eV son consistentes con Co³⁺. Los picos satélite correspondientes están en 784,9 y 803,7 eV. El espectro O 1s se muestra en Fig. 3c, en el que los picos centrados en 529,6, 531 y 532,5 eV deben asignarse al oxígeno enlazado con metal (O1), oxígeno de defecto (O2) con baja coordinación y oxígeno en agua (O3) que está físicamente y químicamente enlazado en y dentro de la superficie, respectivamente. Estos resultados muestran que NiCo-LDH-1 tiene rica distribución de estados de valencia, lo que es beneficioso para la mejora del rendimiento electroquímico.

Los diagramas de mapeo EDS de NiCo-LDH-1 se muestran en Fig. 4a-d. Se puede ver en las figuras que los elementos Ni, Co y O están distribuidos uniformemente sobre el material, de acuerdo con resultados de XPS.

Para probar los rendimientos electroquímicos de NiCo-LDH, se realizan pruebas CV, GCD, EIS y estabilidad cíclica en un sistema típico de prueba de tres electrodos. La Figura 5a muestra las curvas de voltametría cíclica de NiCo-LDH-1 a diferentes velocidades de barrido. Se ve que hay picos de oxidación y reducción obvios observados para todas las muestras, y las áreas para picos anódicos y catódicos a una velocidad de barrido fija son básicamente las mismas, indicando que el material de electrodo tiene excelente reversibilidad. Las reacciones redox pueden expresarse como:

$$\begin{array}{c}{Ni(OH)}_{2}+{OH}^{-}\leftrightarrow NiOOH+{H}_{2}O+{e}^{-}\end{array}$$ (5)

$$\begin{array}{c}{Co(OH)}_{2}+{OH}^{-}\leftrightarrow CoOOH+{H}_{2}O+{e}^{-}\end{array}$$ (6)

$$\begin{array}{c}CoOOH+{OH}^{-}\leftrightarrow Co{O}_{2}+{H}_{2}O+{e}^{-}\end{array}$$ (7)

La Figura 5b presenta las curvas de voltametría cíclica de NiCo-LDH a velocidad de barrido de 5 mV s⁻¹. Se ve que las corrientes de pico de oxidación y reducción de NiCo-LDH-1 son significativamente más altas que las de NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 y NiCo-LDH-0, y el área encerrada por el ancho de pico e intensidades de corriente de pico de NiCo-LDH aumenta secuencialmente. Según literatura previa, el área encerrada por la curva puede reflejar la contribución del material a la capacitancia. Cuanto mayor el área integral encerrada bajo la misma velocidad de barrido y ventana de voltaje, mejor el rendimiento de capacitancia del material, por lo que NiCo-LDH-1 regulado por disminución de contenido de urea mejora el rendimiento de capacitancia. Además, se puede observar de las curvas CV de NF a 5 mV s⁻¹ que el área de curvas CV para NF es insignificante comparada con otras muestras, indicando que la contribución de capacitancia de NF es insignificante.

Las curvas de carga y descarga galvanostática de NiCo-LDH-1 a diferentes densidades de corriente se muestran en Fig. 5c. Obviamente, NiCo-LDH-1 tiene capacitancia específica ultra-alta de 4166 (1667 C g⁻¹) y 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) a densidad de corriente de 0,5 y 1 A g⁻¹, respectivamente. A la fuerte densidad de corriente de 10 A g⁻¹, la capacitancia específica de 2550 F g⁻¹ (1020 C g⁻¹) aún se puede retener. Comparando con resultados de literatura como se muestra en Tabla 1, nuestro trabajo es más ventajoso.

La Figura 5d son las curvas de carga y descarga galvanostática de NiCo-LDH bajo la misma densidad de corriente y ventana de voltaje. Se observa que cuando el contenido de urea disminuye, los tiempos de carga y descarga de NiCo-LDH se vuelven más largos por turno. La capacitancia específica cambia de 2405 F g⁻¹ (962 C g⁻¹) para NiCo-LDH-3 a 3052,5 F g⁻¹ (1221 C g⁻¹) para NiCo-LDH-2 y finalmente aumenta a 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) para NiCo-LDH-1. Ilustra que el cambio de contenido de urea tiene influencia importante en la reacción redox de materiales. La razón es que con alto contenido de urea, NiCo-LDH crece principalmente en dirección paralela a superficie NF lateralmente, y las capas se apilan juntas, aumentando el espesor holístico de las capas, por lo que el electrolito no puede penetrar bien y las reacciones redox resultantes en pseudocapacitancia solo pueden llevarse a cabo en o cerca de la superficie. La disminución de contenido de urea mejora la dispersibilidad del material. NiCo-LDH gradualmente se deshace del estado apilado entre capas. La estructura de crecimiento tridimensional hace las estructuras de capas del material más finas y los poros obvios. Esto proporciona más sitios activos para la reacción y reduce la resistencia de difusión y distancia de migración de iones de electrolito, lo que es conducente a la transmisión y difusión de iones, mejorando así enormemente el rendimiento de pseudocapacitancia del material. Según la curva GCD de NiCo-LDH-0, la capacitancia específica de la muestra es 1232,5 F g⁻¹ (493 C g⁻¹) a densidad de corriente de 1 A g⁻¹ que es menor que las de muestras obtenidas con urea. Confirmaさらに que la estructura cambiada incluyendo morfología y espesor causada por la introducción de urea tiene efecto de promoción positivo en las propiedades electroquímicas de NiCo-LDH.

La Figura 5e muestra la estabilidad cíclica de NiCo-LDH. Bajo densidad de corriente de 10 A g⁻¹, la tasa de retención de capacitancia de NiCo-LDH-1 es superior a 93,6% después de 1000 ciclos, mayor que 88,9% y 83% para NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3, respectivamente. Sin embargo, la tasa de retención de capacitancia de NiCo-LDH-0 es solo 54,9%. Indica que el contenido adecuado de urea puede mejorar efectivamente la estabilidad de materiales de electrodo. Además, durante los 100 a 500 ciclos, la retención de capacitancia de NiCo-LDH-1 es mayor que 100%, lo que sugiere que la estructura de capa vertical más fina durante este proceso de ciclo puede hacer que el electrolito difunda suficientemente a la superficie cercana de la sustancia activa para apoyar el proceso de reacción redox. La Figura 5f es el resultado de prueba EIS para NiCo-LDH. Los diagramas de Nyquist se componen de dos partes: región de alta frecuencia y baja frecuencia, correspondientes a un semicírculo y una sección de línea, respectivamente. El diámetro del semicírculo en región de alta frecuencia refleja la resistencia de transferencia de electrones. Cuanto menor el diámetro del semicírculo, menor la resistencia de transferencia de electrones. La pendiente de la línea representa la capacidad de difusión de iones de electrolito en la superficie del material. Cuanto mayor la pendiente, mayor la capacidad de difusión. Para las muestras NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3, cuando el contenido de urea disminuye gradualmente, la resistencia de transferencia y distancia de migración de electrones disminuyen para los electrodos correspondientes, la tasa de transmisión de iones a la superficie del electrodo aumenta, y la conductividad del material mejora gradualmente. Sin embargo, para la muestra NiCo-LDH-0, aunque la resistencia de transferencia de electrones es relativamente pequeña, la tasa de transmisión de iones es demasiado lenta para igualar la capacidad de transmisión electrónica, lo que conduce a pobre rendimiento electroquímico.

El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 como electrodo positivo se confirmaさらに fabricando supercapacitor asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono como electrodo negativo. La Figura 6a son las curvas CV de electrodos de esfera de carbono y NiCo-LDH-1 a 10 mV s⁻¹. Los electrodos de esfera de carbono y NiCo-LDH-1 con ventana de potencial de -1 ~ 0 y 0 ~ 0,5 V pueden ensamblarse en un dispositivo estabilizado con voltaje extendido de 1,5 V efectivamente, como se muestra por curvas CV a 10 mV s⁻¹ del dispositivo en Fig. 6b.

Comparando Fig. 6a, b, se observan dos distinciones primarias marcadamente entre ellas en ventana de potencial y forma de curva CV. Las causas de estas diferencias radican en: 1) Relativo al electrodo de referencia calomelano saturado, la ventana de voltaje del electrodo individual NiCo-LDH-1 y esferas de carbono es 0 ~ 0,4 y -1 ~ 0 V en sistema de tres electrodos, respectivamente. Sin embargo, después de usar NiCo-LDH-1 como electrodo positivo para fabricar supercapacitor asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono como electrodo negativo, la ventana de voltaje del dispositivo es relativa al electrodo negativo (es decir, esferas de carbono con rango de potencial -1 ~ 0 V). Por tanto, después de balancear cargas, el dispositivo ensamblado por dos electrodos con procesos opuestos podría trabajar bajo ventana de potencial de 0 ~ 1,4 V. 2) Como se muestra en Fig. 6b, las curvas CV del supercapacitor asimétrico muestran un par de picos distintos bajo diferentes velocidades de barrido, confirmando las características típicas de pseudocapacitancia Faradaica contribuidas por NiCo-LDH-1. Además, una curva CV cuasi-rectangular más clara así como un proceso de carga y descarga aproximadamente lineal en Fig. 6b, c para el supercapacitor asimétrico comparado con el de NiCo-LDH-1 confirmanさらに la capacidad de respuesta de capacitancia mejorada debido al efecto de capacitancia de doble capa eléctrica generado por esferas de carbono. Así, el supercapacitor asimétrico fabricado exhibe una variación de la apariencia de curva CV relativa al electrodo individual NiCo-LDH-1 y esferas de carbono. Esto resulta de la unificación de las superioridades de dos materiales de electrodo con diversos mecanismos de almacenamiento de carga. Con esta ventaja, el voltaje del dispositivo puede mejorarse, contribuyendo así a la promoción en densidades de potencia y energía.

Las curvas GCD a diferentes densidades de corriente se exhiben en Fig. 6c con rango de voltaje 0 ~ 1,4 V. Según cálculos, las capacitancias específicas del supercapacitor asimétrico son 95 (132,9) y 57 F g⁻¹ (79,75 C g⁻¹) bajo densidades de corriente de 1 y 5 A g⁻¹, respectivamente. La densidad de energía máxima es 25,9 W h kg⁻¹ a densidad de potencia de 701,6 W kg⁻¹. Mientras tanto, la curva de baja frecuencia de EIS mostrada en el recuadro de Fig. 6d es casi vertical, indicando que los iones de electrolito tienen excelente capacidad de transporte entre electrodos positivo y negativo. La estabilidad cíclica del dispositivo también se evalúa por prueba repetida de carga y descarga a 10 A g⁻¹. Como se muestra en Fig. 6d, la retención de capacitancia es superior a 78% después de 1000 ciclos.

Conclusiones

Un método hidrotérmico simple y efectivo de un paso se usa para sintetizar diversos NiCo-LDH. Las nanoestructuras de NiCo-LDH pueden ajustarse optimizando el contenido de urea, mejorando así su rendimiento electroquímico como materiales de electrodo. Las consecuencias de características estructurales muestran que con la disminución de contenido de urea, las nano-láminas NiCo-LDH-1 exhiben dispersidad bien mejorada y forman estructura porosa fina con espesor de solo 1,62 nm, lo que crea más sitios activos para reacción redox, mejora la afinidad entre electrolito y material de electrodo, acorta el camino de difusión iónica y mejora la capacidad de transferencia de electrones. NiCo-LDH-1 muestra capacitancia específica excelente de 3982,5 F g⁻¹ a densidad de corriente de 1 A g⁻¹ y superior a 93,6% tasa de retención de capacitancia sobre 1000 ciclos bajo alta densidad de corriente de 10 A g⁻¹. El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se atestiguaさらに fabricando supercapacitor asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono. La capacitancia específica es 95 F g⁻¹ a 1 A g⁻¹, y la retención de capacitancia es superior a 78% sobre 1000 ciclos. Estos resultados indican que NiCo-LDH son materiales de almacenamiento de energía de próxima generación con grandes perspectivas de aplicación y brindan alta posibilidad para el desarrollo de supercapacitores de alta energía.