将NiCo?O?和MnFe?O?以新颖的方式组合作为电极，用于开发一种输出电位为2.06伏的超级电容器设备

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：A novel combination of NiCo 2O 4 and MnFe 2O 4 as electrodes for the development of a supercapacitor device with 2.06?V output potential

本研究采用化学合成法制备了NiCo?O?和MnFe?O?纳米颗粒复合电极，构建了高性能超级电容器。该器件在2 A g?1电流密度下比电容达55.5 F g?1，能量密度19.73 Wh kg?1，功率密度6.8 KW kg?1，循环6000次后保持76.36%电容，输出电压2.06 V，成功驱动红蓝LED，验证了其实际应用价值。

　　

Aamir Ahmed|Manasvi Langeh|Insha Fatima|Ashok K. Sundramoorthy|Ankush Tangra|Navdeep Sharma|Anoop Singh|Rakesh Singh|Sandeep Arya

贾穆大学物理系，印度查谟和克什米尔邦贾穆市 180006

摘要

本研究开发了一种高性能超级电容器（SC）设备，该设备采用了NiCo₂O₄和MnFe₂O₄纳米颗粒作为电极材料的新组合。这些纳米颗粒通过化学方法合成，并使用标准材料表征技术对其形态、结构和纯度进行了彻底分析。组装后的SC设备在2 A g^?1电流下显示出55.5 F g^?1的比电容，最大能量密度为19.73 Wh Kg^?1；在8 A g^?1电流下，设备的功率密度为6.8 KW Kg^?1。值得注意的是，即使在最高功率密度下，该设备仍能保持8.74 Wh Kg^?1

引言

全球人口的增长和能源短缺加剧了电力生产和消费系统的供需矛盾，亟需具有更高能量密度的替代储能装置。迄今为止，电池和电容器一直是主要的电能存储方式。尽管传统电池和电容器具有优势，但它们无法同时满足现代可再生能源系统对高能量密度和高功率密度的要求[1]。研究人员面临当前技术的诸多限制，包括电池解决方案的循环寿命不足和日历寿命有限等问题。作为跨学科领域，纳米技术利用纳米级工程技术来调控材料特性[2]。纳米材料具有独特的尺寸依赖性特性，这为电子器件[3]和高效率储能设备（如超级电容器[4]）的应用带来了革命性变革。作为混合电化学器件，超级电容器兼具高功率/能量密度、长期稳定性和超快充电速度[5]。其极低的内部电阻和出色的储能能力使其成为电池和电容器之间的过渡技术。超级电容器的关键优势还包括轻量化设计、宽温度范围（-40°C至70°C）、模块化封装以及成本效益高的维护要求[6]。电极被认为是超级电容器中最关键和基础的部分[7],[8]，因为它们的电化学性质、电压窗口以及与电解质的兼容性直接决定了设备的性能[9],[10]。 活性电极材料对超级电容器的电化学行为和储能效率起着决定性作用，因此开发新型电极材料是研究和开发的重要方向[11],[12]。选择合适的电极材料时需要考虑多个关键因素，包括表面形态、孔隙率、比表面积和导电性[13]。超级电容器中常用的电极材料主要分为三类：金属氧化物、碳基材料和导电聚合物[14],[15]。每种材料类型都具备独特的电学、化学和结构特性，这些特性显著影响设备的整体性能和耐用性[16]。尖晶石铁氧体是一类由过渡金属组成的金属氧化物化合物，其结构类似于磁铁矿（Fe₃O₄），具有优异的磁性和电学性能。其中，锰铁氧体（MnFe₂O₄）因快速的氧化还原反应、高电化学活性、低成本和环保性而备受关注[17],[18],[19]。然而，Mn铁氧体在多次充放电循环中会出现电容保持能力下降的问题，这主要是由于其导电性较低以及离子插入和抽出过程中产生的显著结构应变[20],[21]。Vignesh等人[22]通过共沉淀法制备了Mn铁氧体纳米颗粒，在KOH、LiNO₃和Li₃PO₄介质中的电容分别为173 F g^?1、31 F g^?1和430 F g^?1。Bhosale等人[23]通过电沉积法制备了MnFe₂O₄电极，在2 A g?1?1?1?1₂O₄纳米片，比电容达到302.6 mC cm?2?2₂O₄在Na₂SO₄电解质中的伪电容特性，对称超级电容器在1.6 V电压窗口下的比电容为0.92 F cm?2?1₂O₄也被视为高性能超级电容器电极材料[30],[31]。NiCo₂O₄的形态（片状、板状、球状等）对其性能有显著影响[32]。Yang等人[32]制备了比电容为1525 F g?1?1₂O₄纳米针，并开发了一种功率密度为5151 W Kg?1?1₂O₄纳米花、纳米片和纳米球，其中海胆形态的样品比电容最高达到423.9 F g?1?1?1₂O₄微球，并在3000次循环后电容保持率为85.2%。使用氧化石墨烯作为负电极，这种混合超级电容器在920.8 W Kg?1?1₂的NiCo₂O₄纳米片。此外，多项研究还探讨了NiCo₂O₄在超级电容器中的应用[36],[37]。 基于对现有文献的全面回顾，我们设计并制备了一种以MnFe₂O₄和NiCo₂O₄为电极材料、6 M KOH为水电解质的超级电容器。据我们所知，这种MnFe₂O₄和NiCo₂O₄的组合此前尚未在任何超级电容器配置中被报道过，因此我们的方法具有创新性。组装的纽扣电池展示了出色的电化学性能，最大输出电压达到2.06 V，远高于传统水基超级电容器的典型电压范围。该设备的实际可行性还体现在其能够驱动红色和蓝色发光二极管（LED），表明其具有足够的储能和供电能力。这一成功应用不仅证明了所选电极材料和电解质的效率，也展示了该设备在低功耗电子应用中的潜力。

化学品

合成过程中使用的化学品包括六水合三氯化铁（FeCl₃.6H₂O）（98%，QUALIKEMS）、草酸（H₂C₂O₄·2H₂O）（99%，Fisher Scientific）、四水合氯化锰（MnCl₂.4H₂O）（99%，Sigma Aldrich）、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）（99%，Sigma Aldrich）、氢氧化钠（NaOH）（99%，SDFCL）和六水合氯化镍（NiCl₂.6H₂O）（99.8%，SDFCL）。电极制备过程中还使用了聚乙烯醇（PVA）（99%，Sigma Aldrich）和石墨粉（98%）。

FE-SEM、EDS和元素分析

使用FE-SEM在不同分辨率和放大倍数下研究了MnFe₂O₄纳米颗粒的形态特征，以详细评估其结构特点和表面纹理。在较低分辨率下，显微镜图像显示明显的团聚现象，这通常归因于强烈的磁相互作用和高表面能[42]。随着放大倍数的增加，单个颗粒变得更加清晰，但形状不规则，没有其他特殊特征。

设备的电化学表征

本研究采用两电极系统（CHI 660E）对超级电容器的电化学性能和特性进行了测量，正极为NiCo₂O₄，负极为MnFe₂O₄，电解质为6 M KOH水溶液。测量在室温下进行。通过这些测量获得了比电容（C_s）、能量密度（E）、功率密度（P）和库仑效率（η）等参数。

结论

本研究成功开发了一种高性能超级电容器，采用了NiCo₂O₄和MnFe₂O₄纳米颗粒作为电极材料。材料表征显示这两种纳米颗粒都具有高结晶度，无杂质，平均晶粒尺寸分别为28 nm和41.65 nm。FE-SEM图像显示MnFe₂O₄纳米颗粒具有立方体结构，但存在团聚现象，这是磁性材料常见的特征。

CRediT作者贡献声明

Aamir Ahmed：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论研究、数据分析。Manasvi Langeh：初稿撰写、方法论研究、数据分析。Insha Fatima：初稿撰写、方法论研究、数据分析。Ashok K. Sundramoorthy：审稿与编辑、方法论研究。Ankush Tangra：审稿与编辑、方法论研究。Navdeep Sharma：审稿与编辑、方法论研究。Anoop Singh：方法论研究、数据分析。Rakesh Singh：

资助

通讯作者感谢印度科学与工程研究委员会（SERB）的支持（文件编号：EEQ/2021/000172）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。