近期，中科院合肥研究院固體所功能材料與器件研究部趙邦傳研究員課題組在超級電容器電極一體化設計研究方面取得進(jìn)展，采用原位生長(cháng)法合成出核殼異質(zhì)結構的P-Ni(OH)2@Co(OH)2和Fe2O3納米針陣列結構材料，成功構建了高性能的超級電容器器件。相關(guān)研究成果以“A High-Energy-Density Hybrid Supercapacitor with P-Ni(OH)2@Co(OH)2 Core-shell Heterostructure and Fe2O3 Nanoneedle Arrays as Advanced Integrated Electrodes”為題發(fā)表在Small上。
過(guò)渡金屬（氫）氧化物如Ni(OH)2、Co(OH)2和Fe2O3等由于具有豐富的氧化還原反應活性位點(diǎn)、比表面積大、形貌可控、環(huán)保、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應用于電化學(xué)儲能領(lǐng)域，特別是超級電容器器件。然而，其較低的電子遷移速率和離子擴散速率，限制了反應動(dòng)力學(xué)，導致電極材料的倍率性能和循環(huán)穩定性較差，嚴重制約了其大規模應用。在氧化還原反應的過(guò)程中，電化學(xué)儲能裝置的表界面結構是影響電極材料有效活性位點(diǎn)和電子遷移速率的主要因素。所以，制備具有合適孔徑分布和比表面積的微/納米結構材料，可以使更多的活性物質(zhì)參與到氧化還原反應過(guò)程，從而保證離子和電子的快速傳輸，進(jìn)而改善材料的電化學(xué)性能。
基于此，研究人員采用水熱原位生長(cháng)并結合后處理的方法，在泡沫鎳和碳布集流體上分別生長(cháng)核殼異質(zhì)結構的P-Ni(OH)2@Co(OH)2和Fe2O3納米針陣列材料。由這兩種材料構建的混合型超級電容器P-Ni(OH)2@Co(OH)2/NF//Fe2O3/CC綜合了一體化電極的高比電容和三維“三明治”結構優(yōu)勢，表現出的最大面積比電容（0.93 C cm-2），最大能量密度（0.21 mW h cm-2）和最大功率密度（16 mW cm-2），且經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)測試后，依然能保持81%以上的有效比電容。和常規電容器電極材料制備過(guò)程中存在的流程繁瑣、設備復雜、成本偏高相比，這里的一體化電極制備過(guò)程具有以下優(yōu)勢：電極制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，可以實(shí)現大規模低成本的工業(yè)化生產(chǎn)；一體化電極無(wú)需使用導電劑和粘合劑，有效降低了界面電阻，提高了活性物質(zhì)的利用率；器件的三維“三明治”結構，有利于提高材料中離子和電子的傳輸效率，增強器件的能量密度和功率密度。該研究為其它高性能電化學(xué)儲能器件的構建提供借鑒和參考。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項目的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202001974。
