ChemNanoMat：Co3O4基纳米材料用于超级电容器的研究进展

超级电容器由于其比传统电容器更高的能量密度和比电池更高的功率密度已被广泛应用于便携式电子产品和混合动力电动汽车中。超级电容器的性能很大程度上受到电极材料的影响，其中钴基材料，特别是Co₃O₄及其复合物，由于其相对低的成本、高的理论比电容、无毒性和优异的电化学活性受到研究者广泛关注，但如何使Co₃O₄基材料成为超级电容器高效电极仍然有很多挑战。

近日，江苏大学朱脉勇教授课题组总结了Co₃O₄基作为超级电容器材料的电化学优势，对Co₃O₄基材料/复合材料的合理设计及其用于超级电容器电容特性提供一些基本见解，并提出了未来的研究方向。

图1. Co₃O₄基材料/复合材料用于超级电容器的合理设计及其应用

图2. (a)超级电容器结构原理图；(b)纯Co₃O₄掺杂Gd元素；(c)纯Co₃O₄引入氧空位

提升Co₃O₄性能的关键在于提高其本征电导率和循环稳定性。从Co₃O₄纳米材料的形貌调控和微观结构设计出发，可以有效达到以上目的。在Co₃O₄纳米晶体中掺杂其它元素（包括金属掺杂和非金属掺杂）或植入氧空位以提高其各项性能。此外可以将Co₃O₄与其它具有优良导电性或高循环稳定的材料（如贵金属、氧化物/硫化物、碳、导电聚合物等）复合，通过不同组分间的协同效应改善Co₃O₄的性能。近年来，Co₃O₄基二元复合材料在超级电容器领域已被广泛应用并取得突破性成就，与此同时，三元复合材料由于具有优异电导率、比电容、倍率性能以及循环稳定性等性能优势也可满足超级电容器实际应用的要求。因此，构造Co₃O₄基三元复合材如三元氧化物/导电聚合物、三元Co₃O₄/氧化物/碳复合材料、三元Co₃O₄/CNT/石墨烯复合材料等在电解液中具有更好的导电性和更高的氧化还原活性的材料也成为研究重点。三元复合材料的各组分之间存在互补协同效应，从而提升了材料比电容。Co₃O₄基材料作为超级电容器电极材料的未来发展方向主要面临以下挑战。首先，需要精确控制掺杂元素和氧空位含量以最大程度提升Co₃O₄的电容量。此外，应将Co₃O₄与更多性能优异的材料进行复合，以充分发挥各组分的优点，达到1+1>2的效果。

图3.Co₃O₄基二元复合材料：(a) Co₃O₄@Ag二元复合；(b) Co₃O₄@RuO₂二元复合；(c) Co₃O₄@CoNiS₄二元复合；(d) Co₃O₄@CNT二元复合；(e) Co₃O₄@PPy二元复合

图4. Co₃O₄基三元复合材料: (a)Co₃O₄@C@PPy三元复合；(b) rGO/Co₃O₄@Fe₂O₃三元复合

论文信息

Recent Progress in Co₃O₄-Based Nanomaterials for Supercapacitors

Congcong Lu, Lingran Liu, Yu Yang, Yunping Ma, Qiao Luo, Prof. Dr. Maiyong Zhu

ChemNanoMat

DOI: 10.1002/cnma.202200537