超級電容器是一種可以緩沖風(fēng)/太陽能源不穩(wěn)定性的儲能裝置。超級電容器的比能量（能量密度：ED）和比功率（功率密度：PD）結(jié)合了傳統(tǒng)電容器和電池的優(yōu)點(diǎn)。超級電容器和電池的相似性包括：1）在電極/電解質(zhì)界面處存儲能量；2）離子傳輸和電子傳輸。電池和超級電容器的差異性自由能：電池是單電子自由能，而超級電容器是連續(xù)自由能變化。在電池中，化學(xué)反應(yīng)釋放可以被收集到電路；而在超級電容器中，電荷主要以靜電方式存儲。超級電容器具有功率高、充放電速度快，循環(huán)壽命長，成本低廉等一系列優(yōu)勢，其應(yīng)用前景廣闊。但是超級電容器的性能與電極材料密切相關(guān)，如何設(shè)計(jì)和制備出高性能的電極材料，直接決定了超級電容器的性能。本文選取鎳基材料為基礎(chǔ)，綜合分析了鎳基材料在超級電容器上的應(yīng)用。

近日，中國武漢理工大學(xué)的余家國（通訊）作者等人，總結(jié)了鎳基材料的最新研究進(jìn)展；討論了鎳基材料的制備和性能改進(jìn)等重要問題；分析了協(xié)同效應(yīng)的根本原因；列舉了面臨的挑戰(zhàn)和可能解決方案。最后，對鎳基材料的未來發(fā)展提出了一些新的看法。相關(guān)成果以“Nickel-based materials for supercapacitors”為題發(fā)表在Materials Today上。

圖1、常見電化學(xué)儲能裝置的Ragone圖

圖2、超級電容器的優(yōu)勢

圖 3 不同電容器的原理示意圖

（a）靜電電容器;

（b）雙電層電容器;

（c）贗電容器;

（d）鋰離子電容器的示意圖。

圖4、近10年鎳基超級電容器發(fā)表文章統(tǒng)計(jì)圖

圖5、鎳基材料的分類圖

圖6、花粉模板-NiO（P-NiO）電極

（a，d）未經(jīng)處理油菜花粉粒的示意圖及其SEM圖像;

（b，e）預(yù)處理后，油菜花粉粒的示意圖及SEM圖像；

（c，f）花粉模板-NiO（P-NiO）的示意圖及SEM圖像；

（g，h）P-NiO的TEM圖像；

（i）P-NiO的HRTEM圖像；

（j）在10 mV s-1下，P-NiO的CV曲線；

（k）在10 A g-1（插圖：1 A g-1）的CP曲線；

（l）無模板-NiO（W-NiO），P-NiO，Ni泡沫，花粉-A（天然花粉粒）和花粉-C（處理過的花粉粒）的速率性能對比圖。

圖7、不同殼層結(jié)構(gòu)NiO電極

（I）不同殼層結(jié)構(gòu)NiO的合成示意圖；

（a-c）封閉外部雙殼的雙殼、三殼和四殼空心NiO微球的TEM圖像;

（d-f）雙殼、三殼和單殼NiO空心微球的TEM圖像；

（g）不同結(jié)構(gòu)NiO微球的CV曲線；

（h）不同結(jié)構(gòu)NiO微球的的充電/放電曲線；

（i）不同結(jié)構(gòu)NiO微球的速率性能對比圖。

圖8、碳質(zhì)材料的優(yōu)勢

圖9、NiO/C-HS電極

（a）NiO/C-HS的合成示意圖；

（b）前體SiO2/C的TEM圖像；

（c）中間體Ni(OH)2/C-HS的TEM圖像；

（d）NiO/C-HS的TEM圖像。

圖10、NiCo2O4電極

（a）NiCo2O4的CV曲線；

（b）NiCo2O4的CP曲線；

（c）NiCo2O4的電流密度與質(zhì)量比容量關(guān)系圖；

（d）NiCo2O4的循環(huán)性能圖；

（e，f）NiCo2O4的TEM及其選取電子衍射圖；

（g，h）NiCo2O4-石墨烯的TEM、HRTEM及其選取電子衍射圖；

（i）Co3O4/CoO-石墨烯的合成示意圖。

圖11、CF-Ni01-G中NiCo2O4電極

（l）純CF和鎳CF上NiCo2O4生長的示意圖；

（a）CF-G的SEM圖像；

（b）CF-Ni01-G的SEM圖像；

（c）CF-Ni05-G的SEM圖像；

（d）CF-Ni10-G的SEM圖像；

（e）CF-Ni01-G中單個NiCo2O4納米棒的TEM圖；

（f）CF-Ni01-G中單個NiCo2O4納米棒的HRTEM;

（g）CF-Ni10-G中NiCo2O4納米片的TEM圖；

（h）CF-Ni10-G中NiCo2O4納米片的HRTEM；

（i-k）不同鎳含量的NiCo2O4的CV曲線。

圖12、鎳鈷鋁（NCA）層狀氫氧化物電極

（a，b）未處理和（c，d）處理后，鎳鈷鋁（NCA）層狀氫氧化物的TEM圖像；

（e）在2M NaOH中，5 mVs-1的掃描速率下，NCA 7-1T的CV曲線；

（f）1 Ag-1和20 Ag-1下，不同樣品的比電容對比圖；

（g）NCA 7-1和NCA 7-1T樣品的奈奎斯特圖；

（h）不同樣品的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

圖13、Cu@Ni(OH)2電極

（a）原始銅泡沫的FESEM圖像;

（b）在第一步氧化處理后，銅泡沫的FESEM圖像；

（c）在第二步水熱反應(yīng)處理后，銅泡沫的FESEM圖像；

（d，e）1ML-1 KOH電解質(zhì)，Cu@Ni(OH)2非對稱超級電容器的CV曲線、CP曲線;

（f）能源與功率密度的Ragone曲線;

（g）電容器的奈奎斯特圖。

圖14、NiMn-LDH/CNT電極

（a）NiMn-LDH/CNT的合成示意圖

（b，c）NiMn-LDH/CNTs和Ni(OH)2/CNTs的CV曲線、CP曲線；

（d）電流密度與質(zhì)量比容量的關(guān)系圖；

（e）長循環(huán)性能圖。

圖15、Ni-MOF電極

（a）Ni-MOF晶體結(jié)構(gòu)示意圖；

（b）手風(fēng)琴狀Ni-MOF的TEM圖像；

（c）3 M KOH溶液中Ni-MOF的CV曲線；

（d）Ni-MOF的CP曲線;

（e）不同電流密度下，電流密度與質(zhì)量比容量的關(guān)系圖；

（f）1.4 A g-1下，Ni-MOF的充電-放電循環(huán)圖。

圖16、3D花狀β-NiS的電極

（a-d）3D花狀β-NiS的SEM圖像；

（e）3D花狀β-NiS納米結(jié)構(gòu)的合成示意圖；

（f）β-NiS電極的CV曲線；

（i）β-NiS電極的CP曲線；

（j）β-NiS電極的電流密度與面積容量的關(guān)系曲線；

（k）等效電路的奈奎斯特曲線圖。

圖17、NixSy@CoS電極

（a）NixSy@CoS雙殼納米籠的形成過程的示意圖；

（b-d）NixSy@CoS的TEM圖像；

（e）NixSy@CoS的CV曲線；

（f）NixSy@CoS的CP曲線。

圖18、NH4NiPO4·H2O/Ni電極

（a-c）NH4NiPO4·H2O/Ni的SEM圖；

（d，e，f）NH4NiPO4·H2O/Ni泡沫的元素Mapping圖、CV曲線、CP曲線;

（g）電流密度與質(zhì)量比容量關(guān)系圖；

（h）NH4NiPO4·H2O/Ni泡沫和NH4NiPO4·H2O@PPy/Ni的EIS圖（插圖：高頻區(qū)域的放大圖）。

圖19、FeCo2S4-NiCo2S4的電極

（a）實(shí)驗(yàn)服照片；

（b）在紡織布上FeCo2S4-NiCo2S4的顏色變化圖；

（c）FeCo2S4-NiCo2S4在銀濺射紡織布上的制備過程的示意圖。

圖20、非傳統(tǒng)超級電容器領(lǐng)域的發(fā)展趨勢圖

結(jié)論與展望

鎳基材料的研究路線有許多種，包括分級設(shè)計(jì)，組合優(yōu)化和摻雜等，旨在克服限制其應(yīng)用的問題。雖然已經(jīng)取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但是鎳基材料的電子傳導(dǎo)性仍然遠(yuǎn)離低于碳的電子傳導(dǎo)性，阻礙了它們的應(yīng)用?？刂坪铣蓞?shù)和實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)鍵是在分子或原子水平上，設(shè)計(jì)與合成所需電極材料。

在鎳基電極材料的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下幾個方面。（1）氧或鎳空位對超級電容器性能的影響。（2）充分利用每種材料，當(dāng)多種元素共存于電極材料中，可能誘發(fā)物理/化學(xué)性質(zhì)的不均勻性。（3）合理設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)。（4）材料的界面調(diào)控。鎳基材料的電荷轉(zhuǎn)移，通常發(fā)生在電極/電解質(zhì)界面處。（5）鎳基材料上氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。（6）調(diào)控鎳基材料的電位窗口。（7）氧化還原反應(yīng)或循環(huán)測試后，材料的性質(zhì)研究，包括結(jié)晶、缺陷、形態(tài)和表面積沒有得到強(qiáng)調(diào)。只有通過研究氧化還原反應(yīng)中鎳基材料的變化，才能找到優(yōu)化鎳基材料的最佳方案。

在原子尺度上設(shè)計(jì)材料，原位材料表征和理論推導(dǎo)是必不可少的。在穩(wěn)定性評估時要關(guān)注電容保持率和材料的損壞程度。鎳基材料測試前后，應(yīng)注意分析鎳的形貌和化學(xué)狀態(tài)。另外，計(jì)算建模和模擬也可以幫助預(yù)測和分析成分對鎳基材料的電化學(xué)性質(zhì)的影響，提高超級電容器性能。

原標(biāo)題:武漢理工余家國Mater. Today：鎳基超級電容器的研究進(jìn)展