邱介山&于畅《AFM》换个集流体实现2.6V创纪录高压水系超级电容器

图文简介

有限的 1.23 V 电化学稳定窗口阻碍了水系超级电容器的能量输出。集流体对高工作电压的良好稳定性密切决定了水系超级电容器的电压窗口能否进一步提高。在这里，在对氧/氢析出副反应的固有响应和电容贡献方面，水电解质中代表性集电器的电化学稳定性被详细解耦。Ti 网格对电解质分解的发生响应最低，电容贡献可忽略不计，在中性电解质中具有高达 3.61 V 的高且稳定的电化学窗口，并准确评估了电极的电化学性能。21m的实验验证 LiTFSI 证实钛网确实可以在高达 2.6 V 的创纪录高电压下工作。操作拉曼、异位原子力显微镜、X 射线光电子能谱和自建的电解质去耦系统进一步揭示了镍的浸出和生成过程Ni(OH) 2新物种在有前景的中性电解液中用于常用的泡沫镍集电器。这项工作为高压水系超级电容器中集流体的选择和催化剂的设计，以及水系电解质相关小分子电催化转化中的内在活性解耦提供了理论支持。

a) 多孔碳电极和集流体与水性电解质紧密接触的示意图。b) 水性电解质的 Pourbaix 图和由于局部 pH 变化引起的 OER/HER 电位变化。

a) 测试集电器的光学照片。三电极体系中不同集电器在大电压窗口内的 LSV 曲线分别为 b) 6 m KOH、c) 1 m Na 2 SO 4和 d) 1 m H 2 SO 4。电位与 RHE 相关（支持信息中描述了 RHE 和不同参考电极之间的详细电位转换）。HER 测试过程为 0.5 至 -1 V。OER 测试过程为 0.5 至 3.5 V。

分别在 a) 6 m KOH、b) 1 m Na2SO4和 c) 1 m H2SO4中比较不同集电器在 20 mV s –1下的稳定 CV 曲线。d) 集流体对YP-50F电极和集流体整体电容的对应电容贡献比。

a) 在 20 mV s –1 in 1 m Na 2 SO 4在 -1-0.6 V 的电压窗口（vs. Ag/ AgCl) 分别用于 b) 10、c) 20、d) 50、e) 100、f) 200 次循环。g) 相应电解液的 pH 值和 Ni 含量，以及 h) 原始泡沫镍和泡沫镍集流体在不同循环后的表面粗糙度。i) YP-50F 电极在 Ni 泡沫上的奈奎斯特图，在 20 mV s –1的电压窗口为 -1-0.6 V（vs. Ag/AgCl）下，在 1 m Na2SO4中进行不同循环次数 。

a) 用于监测和解耦泡沫镍集流体的镍浸出和形成 Ni(OH) 2的原位拉曼测量示意图。b) 原位拉曼映射图像（三个循环），和 c) Ni 泡沫在 -10.6 V 的电压窗口（相对于 Ag/AgCl）中的 1 m Na 2 SO 4光谱。d) Ni 泡沫在选定电位（相对于 Ag/AgCl）（OCP：开路电位）下的非原位 Ni 2p 3/2 XPS 光谱。e) 自建电解液去耦系统示意图：由质子交换膜隔开的H型电池中的三电极测试系统。

结论

总之，我们批判性地考察和分析了代表性集流体的电化学响应和影响，包括铜箔、泡沫铜、镍箔、泡沫镍、钛箔、钛网、玻璃碳、碳布、碳纸、碳织物、石墨片和不锈钢网对电解质的电化学稳定性和不同水电解质中的电容贡献。由于HER 和OER 响应行为明显不同，集流体对含水电解质分解的电化学响应不同。与常用的泡沫镍相比，具有化学惰性的钛网在较大的应用电位下工作良好，电解液在钛网上不易分解；相应地，一个大的稳定电化学窗口高达 2.05 V in 6 M KOH、1 M Na2SO4中的3.61 V 和 1 M H2SO4中的 3.12 V 分别可以在三电极系统中输送。集电器的电容贡献取决于所用电解质的类型并对它们敏感，具体而言，只有钛网和碳布在不同的电解质中表现出可忽略不计的电容贡献。Operando Raman、ex situ AFM 和 XPS 进一步将 Ni 浸出过程和 Ni(OH)2从高压中性电解液中常用的泡沫镍集电器中生成新物种的过程解耦。Ni被氧化成可溶的Ni 2+进入电解液并与 OH -结合形成 Ni(OH) 2沉淀，这导致电极的整体内阻增加。仅允许质子转移的巧妙设计的系统进一步证实了 OH 的独特作用——在 Ni(OH) 2新物种的形成中。该器件在 21 M LiTFSI 电解液中的实验验证证实，Ti 网可以在高压下工作，稳定电压窗口高达 2.6 V，优于其他产品。

论文信息

论文题目：Insight into the Effects of Current Collectors and In Situ Ni Leaching in High-Voltage Aqueous Supercapacitors

通讯作者：邱介山，于畅

通讯单位：大连理工

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