Rational construction of phosphate layer to optimize Cu-regulated Fe3O4 as anode material with promoted energy storage performance for rechargeable Ni-Fe batteries

材料科学 阳极 储能 图层(电子) 化学工程 磷酸盐 纳米技术 冶金 电极 功率(物理) 化学 有机化学 量子力学 物理 工程类 物理化学
作者
Shuhua Hao,Yupeng Xing,Peiyu Hou,Gang Zhao,Jinzhao Huang,Shipeng Qiu,Xijin Xu
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:108: 133-141 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2021.09.015
摘要

Flexible aqueous energy storage devices with high security and flexibility are crucial for the progress of wearable energy storage. Particularly, aqueous rechargeable Ni-Fe batteries owning a large theoretical capacity, low cost and outstanding safety characteristics have emerged as a promising candidate for flexible aqueous energy storage devices. Herein, Cu-doped Fe 3 O 4 (CFO) with 3D coral structure was prepared by doping Cu 2+ based on Fe 3 O 4 nanosheets (FO). Furthermore, the Fe-based anode material (CFPO) grown on carbon fibers was obtained by reconstructing the surface of CFO to form a low-crystallization shell which can enhance the ion transport. Excitingly, the newly developed CFPO electrode as an innovative anode material further exhibited a high capacity of 117.5 mAh g −1 (or 423 F g −1 ) at 1 A g −1 . Then, the assembled aqueous Ni-Fe batteries with a high cell-voltage output of 1.6 V deliver a high capacity of 49.02 mAh g −1 at 1 A g −1 and retention ratio of 96.8% for capacitance after 10 000 continuous cycles. What's more, the aqueous quasi-solid-state batteries present a remarkable maximal energy density of 45.6 Wh kg −1 and a power density of 12 kW kg −1 . This work provides an innovative and feasible way and optimization idea for the design of high-performance Fe-based anodes, and may promote the development of a new generation of flexible aqueous Ni-Fe batteries. The cationic doping strategy can construct unique 3D coral nanostructures, optimize the interface, leading to the electrode with a significant reaction active center, stable structure. Among them, the mass capacity of the as-assembled Ni-Fe battery is 49.02 mAh g −1 , the energy density is 45.6 Wh kg −1 , the power density is 12 kW kg −1 , which is better than numerous Fe-based batteries reported recently.
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