Phase-Dependent Energy Storage Performance of the NixSey Polymorphs for Supercapacitor-Battery Hybrid Devices

材料科学 硒化物 正交晶系 储能 超级电容器 电极 化学工程 纳米技术 纳米结构 磷化物 电化学 结晶学 晶体结构 冶金 物理化学 热力学 功率(物理) 化学 工程类 物理
作者
Mahrokh Nazari,Abolhassan Noori,Mohammad S. Rahmanifar,Maher F. El‐Kady,Nasim Hassani,M. Neek-Amal,Richard B. Kaner,Mir F. Mousavi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (45): 50900-50912 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.2c14412
摘要

Transition-metal chalcogenides have emerged as a promising class of materials for energy storage applications due to their earth abundance, high theoretical capacity, and high electrical conductivity. Herein, we introduce a facile and one-pot electrodeposition method to prepare high-performance nickel selenide NixSey (0.5 ≤ x/y ≤ 1.5) nanostructures (specific capacity = 180.3 mA h g-1 at 1 A g-1). The as-synthesized nickel selenide (NS) nanostructure is however converted to other polymorphs of nickel selenide including orthorhombic NiSe2, trigonal Ni3Se2, hexagonal NiSe, and orthorhombic Ni6Se5 over cycling. Interestingly, NiSe2 and Ni3Se2 polymorphs that display a more metallic character and superior energy storage performance are the predominant phases after a few hundred cycles. We fabricated a hybrid device using activated carbon (AC) as a supercapacitor-type negative electrode and NS as a high-rate battery-type positive electrode (AC||NS). This hybrid device provides a high specific energy of 71 W h kg-1, an excellent specific power of up to 31 400 W kg-1, and exceptional cycling stability (80% retention of the initial capacity after 20 000 cycles). The higher energy storage performance of the device is a result of the development of high-performance NiSe2 and Ni3Se2 polymorphs. Moreover, the reduction of the critical dimension of the NS particles to the nanoscale partially induces an extrinsic pseudocapacitive behavior that improves the rate capability and durability of the device. We also explored the origin of the superior energy storage performance of the NS polymorphs using density functional theory calculations in terms of the computed density of states around the Fermi level, electrical conductivity, and quantum capacitance that follows the trend NiSe2 > Ni3Se2 > NiSe > Ni6Se5. The present study thus provides an appealing approach for tailoring the phase composition of NS as an alternative to the commonly used templated synthesis methods.
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