近期，中科院合肥研究院固体所功能材料与器件研究部赵邦传研究员课题组在超级电容器电极一体化设计研究方面取得进展，采用原位生长法合成出核壳异质结构的P-Ni(OH)2@Co(OH)2和Fe2O3纳米针阵列结构材料，成功构建了高性能的超级电容器器件。相关研究成果以“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”为题发表在Small上。
过渡金属（氢）氧化物如Ni(OH)2、Co(OH)2和Fe2O3等由于具有丰富的氧化还原反应活性位点、比表面积大、形貌可控、环保、成本低廉等优点，近年来被广泛应用于电化学储能领域，特别是超级电容器器件。然而，其较低的电子迁移速率和离子扩散速率，限制了反应动力学，导致电极材料的倍率性能和循环稳定性较差，严重制约了其大规模应用。在氧化还原反应的过程中，电化学储能装置的表界面结构是影响电极材料有效活性位点和电子迁移速率的主要因素。所以，制备具有合适孔径分布和比表面积的微/纳米结构材料，可以使更多的活性物质参与到氧化还原反应过程，从而保证离子和电子的快速传输，进而改善材料的电化学性能。
基于此，研究人员采用水热原位生长并结合后处理的方法，在泡沫镍和碳布集流体上分别生长核壳异质结构的P-Ni(OH)2@Co(OH)2和Fe2O3纳米针阵列材料。由这两种材料构建的混合型超级电容器P-Ni(OH)2@Co(OH)2/NF//Fe2O3/CC综合了一体化电极的高比电容和三维“三明治”结构优势，表现出的最大面积比电容（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），且经过5000次循环测试后，依然能保持81%以上的有效比电容。和常规电容器电极材料制备过程中存在的流程繁琐、设备复杂、成本偏高相比，这里的一体化电极制备过程具有以下优势：电极制备工艺简单，成本低廉，可以实现大规模低成本的工业化生产；一体化电极无需使用导电剂和粘合剂，有效降低了界面电阻，提高了活性物质的利用率；器件的三维“三明治”结构，有利于提高材料中离子和电子的传输效率，增强器件的能量密度和功率密度。该研究为其它高性能电化学储能器件的构建提供借鉴和参考。
该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委大科学装置联合基金项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202001974。
图1. P-Ni(OH)2@Co(OH)2/NF和Fe2O3/CC一体化电极制备及混合超级电容器器件组装示意图。
图2. (a-c) P-Ni(OH)2/NF；(d-f) P-Ni(OH)2@Co(OH)2/NF 和(g-i) Fe2O3/CC样品的电镜图。
图3. (a) P-Ni(OH)2@Co(OH)2/NF和Fe2O3/CC在5 mV s-1下的CV曲线； AHS器件：(b) 在不同电压下的GCD曲线；(c)在不同电压下的CV曲线；(d) 在不同扫描速率下的CV曲线；(e)在不同电流密度下的GCD曲线；(f) 倍率性能；(g) 循环稳定性；(f) 5000次循环前后的交流阻抗图；(i) 能量密度和功率密度对比图。
