在化学储能领域发表成果
近日，现代工程与应用科学学院葛海雄教授课题组与唐少春教授课题组合作的成果“Vertically Aligned and Ordered Arrays of 2D MCo2S4@Metal with Ultrafast Ion/Electron Transport for Thickness-Independent Pseudocapacitive Energy Storage”发表于 《ACS nano》http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c02973。
赝电容在提高超级电容器的能量密度方面具有广阔的前景。通过提高离子扩散性和电子输运效率将超级电容器的能量密度提高到与电池相当的水平。MCo2S4 (M = Ni、Co、Fe、Mn等)比其氧化物具有更丰富的氧化还原位点和更高的电导率，并且具有更高的电化学活性和电容量。例如：NiCo2S4的导电性是NiCo2O4的100倍，比氧化镍或氧化钴高4个数量级。然而，赝容性材料的实际容量仍然远低于其理论值，这是由于较差的离子可及性和较长的电子传输距离造成的。一般情况下，电解液向赝容性材料的扩散深度仅为20nm；未浸润的体积被认为是“死体积”而不参与电化学储能。因此，探索促进离子和电子快速传递的新型电极结构是非常必要的。
电极材料的分层设计是促进离子扩散、增加有效接触面积、缩短法拉第电荷传递距离的有效途径。与其它形状相比，具有特殊各向异性的亚10nm二维薄片有利于获得优越的电化学性能。同时，为了避免二维材料在平面上重复堆积造成对电化学储能产生消极影响，我们通过将二维NiCo2S4生长在用于超快离子/电子传输的垂直阵列集流体上来获得优异的电化学性能。这种结构具有稳定的充放电行为，相互独立的微米金属镍柱和交叉排列的二维NiCo2S4薄片可以分散长期充放电产生的应力，减轻法拉第氧化还原反应中的体积变化。
图1. 离子和电子传输路径
本研究提出两种离子和电荷传输的快速通道以促进反应动力学的新见解。独特的结构特征作为离子/电子传递的高速公路有益于促进氧化还原反应。这种电极在1 A g-1的电流密度下达到486.9 mAh g−1的优异储能性能；更重要的是，在100 A g-1的高电流密度下仍然有150 mAh g−1的优异表现。在电极大幅度弯曲情况下，电化学表现没有降低说明了电极具有良好的柔韧性。我们还研究了以此电极为正极，石墨烯为负极的非对称超级电容器器件；在功率密度为400 W kg-1的情况下，非对称赝电容器的能量密度为66.5 Wh kg-1，长期循环测试也有非常优异的表现。这一研究为小型化、便携式的可穿戴电子产品能源解决方案开辟了一条新的道路。
图2. a) 硅深孔，b) 空镍微米柱，c) 水热反应3小时样品，d,e,f) 水热反应5小时样品，g) EDS能谱分析，h,i,j) TEM分析。
图3. a) CV曲线，b,c) 赝容性贡献的比率，d) 不同电流密度下的GCD曲线，e) 质量比容量和面积比容量，f) 与相关文献对比。
南京大学现代工程与应用科学学院17级博士生郝宗斌为该论文第一作者，葛海雄教授、唐少春教授为论文的共同通讯作者，崔玉双老师和陈延峰教授对此研究的设计和完成进行了悉心指导和大力支持，南京大学为论文唯一单位。该研究受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目资助，同时感谢固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台的支持。
