高效储能混合超级电容器：CNT诱导合成超薄MOF纳米片电极

II 超薄Ni-MOF/C-CNTs杂化纳米片的微观结构表征

图2 Ni-MOF和Ni-MOF/C-CNTs40的TEM图像。

III 超薄Ni-MOF/C-CNTs杂化纳米片在三电极体系中的电化学性能

在三电极体系中，以3M KOH溶液作为电解质，我们采用循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)技术对Ni-MOF和不同C-CNTs添加量的Ni-MOF/C-CNTs样品进行了电化学性能测试，结果如图3所示。图3a为不同样品在相同扫描速率(20 mV/s)下的CV曲线对比图，从中可以看出所有样品的CV曲线都具有一对明显的氧化还原峰，表明其储能过程主要是由法拉第反应所控制。图3b所示的是所得电极材料在相同电流密度(1 A/g)下的GCD曲线。可以看到，所有电极的GCD曲线都存在一个充放电平台，对应了电极在储能过程中的氧化还原反应。其中，Ni-MOF/C-CNTs40具有最长的放电时间，表明其拥有最高的比容量。图3c是在不同扫速下Ni-MOF/C-CNTs40的CV曲线。随着扫速的增大，CV曲线的轮廓基本保持不变，表明其较好的倍率性能。峰电流与扫描速度的平方根呈线性关系，表明了其受扩散控制的特性(图3d)。通过放电曲线计算得到Ni-MOF、Ni-MOF/C-CNTs20、Ni-MOF/C-CNTs40、Ni-MOF/C-CNTs60电极在1 A/g时的比容量分别为517、524、680和581 C/g。其中，Ni-MOF/C-CNTs40在10 A/g时的容量保留率可以达到65%，这主要是由于适量C-CNTs的引入使得Ni-MOF的团聚得以缓解，增加的比表面积使其暴露出更多的活性位点，二维超薄片状结构保证了电解质离子和电子在电极内部的快速扩散和转移。

图3 (a)Ni-MOF和Ni-MOF/C-CNTs的CV比较；(b)Ni-MOF和Ni-MOF/C-CNTs的GCD比较；(c)Ni-MOF/C-CNTs40在不同扫速的CV曲线；(d)Ni-MOF/C-CNTs40的扫速平方根与峰电流的关系；(e)Ni-MOF/C-CNTs40在不同电流密度下的GCD曲线；(f)Ni-MOF和Ni-MOF/C-CNTs在不同电流密度下的比容量。

IV Ni-MOF/C-CNTs40//AC混合超级电容器的组装及其电化学性能

为了更好地评价Ni-MOF/C-CNTs40的电化学性能，以Ni-MOF/C-CNTs40为正极、商业活性炭(AC)作负极组装成水系混合超级电容器，在3M KOH电解液中测试其电容性能。通过优化不同电位窗口下的CV曲线，最终确定混合器件的电位窗口为1.7 V。图4d所示为混合器件在不同电流密度下的GCD曲线。通过GCD曲线计算可知，混合器件在1 A/g时的比电容为97.6 F/g，当电流密度为5 A/g时，其比电容保留率为66.7%。该器件循环3000次后的比电容保留率为77%(图4e)。此外，该混合电容器在功率密度为440 W/kg时，其能量密度为44.4 Wh/kg，当功率密度增加至5255 W/kg时，其能量密度为26.1 Wh/kg。

图4 (a)Ni-MOF/C-CNTs40//AC混合电容器的组装示意图；(b)MOF/C-CNTs40和AC在三电极下的CV曲线；Ni-MOF/C-CNTs40//AC混合电容器的(c)电压窗口优化，(d)不同电流密度下的GCD曲线，(e)循坏稳定性和(f)Ragone图。