揭示LiNi0.5Mn1.5O4纳米颗粒的伪电容性能，及其在高性能超级电容器中的应用潜力

《Polyhedron》：Unveiling the pseudocapacitive performance of LiNi 0.5Mn 1.5O 4 NPs for high-performance supercapacitor applications

制备了LiNi0.5Mn1.5O4纳米颗粒并验证其伪电容特性，比电容达445 F/g，循环稳定性93%

　　

P. Deva|Thirumal Balaraman|U. Gopika|N. Jayasaranya|M. Prabakaran|A. Rajabhuvaneswari

印度泰米尔纳德邦Padalam Chengalpattu，Karpaga Vinayaga工程与技术学院物理系，邮编603 308

摘要

开发出具有高电荷存储容量、超快动力学性能和结构稳定性的电极材料仍是能源存储研究中的一个挑战。在本研究中，我们报道了制备了具有增强伪电容性能的尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒（LNMO）。通过FESEM和XRD分析证实，LNMO纳米颗粒具有独特的形态和晶体结构。通过BET分析评估了LNMO纳米颗粒的多孔性，这有助于电子在介孔中的传输，从而实现快速的动力学和法拉第反应。循环伏安法及恒电流充放电等电化学研究表明，LNMO纳米颗粒表现出以扩散控制为主的伪电容行为。在1 A/g的电流密度下，LNMO纳米颗粒的比电容为445 F/g。Ni和Mn阳离子在电极-电解质界面上的快速氧化还原反应促进了其优异的电容性能。LNMO纳米颗粒作为电极材料，在5000次循环后仍保持93%的循环稳定性，并且具有较低的电荷传输电阻，使其成为下一代能源存储的可扩展和多功能材料平台。

引言

由于工业化和全球人口的增长，化石燃料的储备正在迅速耗尽，以满足世界每日的能源需求。化石燃料的不可逆燃烧会释放有害气体，加剧全球变暖。因此，迫切需要一种成本效益高、重量轻且环境可持续的新型能源存储解决方案，以部分或完全解决这些问题。这促使研究人员开发出多种创新的能源存储技术[1]、[2]、[3]。 超级电容器因其高功率密度、快速充电效率和优异的循环稳定性而受到广泛研究。然而，超级电容器的能量密度低于燃料电池和电池，这限制了其在能源存储中的应用[4]、[5]。作为一种高效设备，非对称超级电容器（ASCs）可以提高工作电压窗口并提供高效的电力来源。ASCs通常由两种电极组成：一种是电容器型电极，另一种是电池型法拉第电极，分别作为电源和能量源。近年来，过渡金属氢氧化物、硫化物和氧化物因其多种氧化态而被认为是理想的电池型电极材料，有利于有效的氧化还原电荷传输。然而，它们固有的低电导率成为电化学能源存储的缺点[6]、[7]、[8]。电解质与电极材料一起是超级电容器中的关键组成部分，因为它决定了离子导电性、电化学稳定窗口和离子传输动力学。水性电解质具有较高的离子导电性和较低的内阻，但受限于有限的电压范围（约1.0 V）。电解质的选择对电荷存储过程有重要影响，包括双电层的形成和伪电容材料中的法拉第氧化还原反应。因此，设计具有高电导率和合适电解质的新材料至关重要。 为了解决这一问题，研究人员被鼓励探索用于超级电容器应用的下一代电极材料，例如通过将碱金属离子插入过渡金属基化合物中来改进超级电容器电极材料。通常，像NiO、ZnO和MnO这样的过渡金属氧化物是很有前景的电极材料，因为它们具有丰富的氧化还原反应、较高的电化学活性和较低的电阻率[9]。与单一过渡金属相比，多种双金属过渡金属氧化物（如NiCo₂O₄、MnCo₂O₄、CuCo₂O₄、ZnCo₂O₄和FeCo₂O₄）已在超级电容器领域得到成功应用，从而改善了电子传输。过渡金属之间的协同效应实现了最大潜力，提升了性能。然而，双金属过渡金属氧化物的能量密度较低[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。目前，锂离子（Li⁺）与金属氧化物结合的复合材料被用作超级电容器的电极材料[15]、[16]、[17]，这种材料表现出类似电池的特性，同时提高了能量密度并增强了循环寿命。Xiao Gu等人[18]报道Li₂MnO₃在LiCl电解质中具有纳米棒形态，比电容为1129 F/g（2 mV/s）。Priyadharshini Matheswaran等人[19]证明，经过煅烧的尖晶石型LiMn₂O₄在3 M LiNO₃电解质下，1 A/g电流密度下的比电容为473.44 F/g。Sivakumar Marimuthu等人[20]报告称，掺钴的锂镍氧化物在1 M KOH电解质中，0.5 Ag^?1电流密度下的比电容为300 Fg^?1。 在本研究中，我们成功使用了共沉淀法合成了LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒，并通过三电极电池装置研究了其电化学性能。通过电化学技术计算了超级电容器应用的关键参数（如比电容）。还进行了循环稳定性测试，以评估电极材料的耐久性。

材料

六水合硫酸镍[NiSO₄.6H₂O（纯度99%）、一水合硫酸锰[MnSO₄.H₂O（超纯98%）、碳酸氢铵[NH₅CO₃（超纯99%）和碳酸锂[Li₂CO₃（超纯99%）均从SRL Pvt. Ltd.采购。实验过程中使用的是双蒸水。

LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒的合成

LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒是通过共沉淀法合成的。大约按照1:3的摩尔比将NiSO₄.6H₂O（1.55 g）和MnSO₄.H₂O（5.12 g）前驱体溶解在100 mL蒸馏水中，然后...

LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒的结构分析

在不同煅烧温度下制备的LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒通过XRD分析进行了研究，结果如图2所示。2θ = 18°和45°处的衍射峰属于（111）和（400）晶面，且强度较高；此外还观察到一些低强度的衍射峰，分别对应于2θ = 32°、37°、49°、59°、64°和69°的衍射角（220）、（311）、（331）、（511）和（440）晶面。

结论

通过共沉淀法并经过煅烧成功制备了LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒。通过SEM分析了LiNi_0.5Mn_1.5O₄纳米颗粒的形态。通过XRD分析确认了LNMO的晶体性质，并通过XPS分析了其中元素的氧化状态和电荷状态。通过BET分析了LNMO的多孔性。

CRediT作者贡献声明

P. Deva：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Thirumal Balaraman：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 U. Gopika：撰写初稿、数据可视化、验证、实验研究、数据分析、概念构建。 N. Jayasaranya：数据可视化、验证、实验研究、数据分析、概念构建。 M. Prabakaran：

资金支持

作者们未获得这项工作的任何特定资助。

利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。