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展，采用原位生長法合成出核殼異質結構的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”爲題發表在Small上。 

　　過渡金屬（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、比表面積大、形貌可控、環保、成本低廉等優點，近年來被廣泛應用于電化學儲能領域，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，限制了反應動力學，導致電極材料的倍率性能和循環穩定性較差，嚴重制約了其大規模應用。在氧化還原反應的過程中，電化學儲能裝置的表界面結構是影響電極材料有效活性位點和電子遷移速率的主要因素。所以，制備具有壕m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參與到氧化還原反應過程，從而保證離子和電子的快速傳輸，進而改善材料的電化學性能。 

　　基于此，研究人員采用水熱原位生長並結合後處理的方法，在泡沫鎳和碳布集流體上分別生長核殼異質結構的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），且經過5000次循環測試後，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程中存在的流程繁瑣、設備複雜、成本偏高相比，這裏的一體化電極制備過程具有以下優勢：電極制備工藝簡單，成本低廉，可以實現大規模低成本的工業化生産；一體化電極無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。該研究爲其它高性能電化學儲能器件的構建提供借鑒和參考。 

　　該工作得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金委大科學裝置聯合基金項目的支持。 

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202001974。 

　　圖1. P-Ni(OH)₂@Co(OH)₂/NF和Fe₂O₃/CC一體化電極制備及混合超级电容器器件组装示意圖。 

　　圖2. (a-c) P-Ni(OH)₂/NF；(d-f) P-Ni(OH)₂@Co(OH)₂/NF 和(g-i) Fe₂O₃/CC样品的电镜圖。 

　　圖3. (a) P-Ni(OH)₂@Co(OH)₂/NF和Fe₂O₃/CC在5 mV s^-1下的CV曲線； AHS器件：(b) 在不同電壓下的GCD曲線；(c)在不同電壓下的CV曲線；(d) 在不同掃描速率下的CV曲線；(e)在不同電流密度下的GCD曲線；(f) 倍率性能；(g) 循環穩定性；(f) 5000次循环前后的交流阻抗圖；(i) 能量密度和功率密度对比圖。