Adv. Energy Mater.：相邊界引發的贗電容增強鎳基復合材料電化學儲能器件

【引言】

過渡金屬化合物具備較高的理論儲鋰容量，成為理想的鋰離子電池電極材料。然而，相對較差的導電性和結構穩定性很大程度上限制了其實際應用。復合材料可以利用協同效應，提高材料的性能。研究發現：復合材料相界面的出現會導致晶格失配，形成更多的活性儲能位點，同時也有利于鋰離子和電子的傳遞。贗電容材料可以在材料的表面和近表面通過法拉第電荷傳遞儲存更多能量，提升活性物質的儲鋰容量。

【成果簡介】

近日，中山大學的童葉翔教授、宋樹芹副教授和Muhammad-Sadeeq Balogun博士（通訊作者）等在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Phase Boundary Derived Pseudocapacitance Enhanced Nickel-Based Composites for Electrochemical Energy Storage Devices”的研究論文，報道了相邊界引發的贗電容增強鎳基復合材料電化學儲能器件的最新研究進展。研究人員通過退火和硫化處理制備得到了氮化鎳@硫化鎳（Ni₃N@Ni₃S₂）納米片復合材料。研究發現：Ni₃N和Ni₃S₂之間的相邊界是導致復合材料高儲鋰容量的關鍵因素。Ni₃N較為出色的贗電容特性和Ni₃S₂較為理想的擴散控制型容量形成協同效應，共同提升了復合材料的電化學儲能性能。通過界面失配和贗電容特性和結合，研究人員為未來高性能電化學儲能器件的設計提供了新的思路參考。

【圖文導讀】

示意圖-1. 復合材料的制備流程示意圖

圖-1. 樣品的XRD譜圖和XPS譜圖

（a）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S2的XRD衍射譜圖；

（b）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S2的高分辨S_2p XPS譜圖；

（c）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S2的高分辨N_1s XPS譜圖。

圖-2. 樣品的電子顯微鏡圖片及元素分布圖

（a）Ni₃N的掃描電子顯微鏡（SEM）圖片；

（b）Ni₃N@Ni₃S₂的SEM圖片；

（c）Ni₃N@Ni₃S₂的低倍透射電子顯微鏡（TEM）圖片；

（d）Ni₃N@Ni₃S₂的高分辨透射（HRTEM）圖片。插圖為綠色方框區

域對應的選區電子衍射（SAED）衍射花樣；

（e）圖2-（d）中黃色方框區域放大的HRTEM圖片；

（f）圖2-（d）中綠色方框區域放大的HRTEM圖片；

（g-j）Ni₃N@Ni₃S₂中的EDS元素分布圖；

（k）Ni, S, N的元素分布疊加圖。

圖-3. 樣品的循環伏安（CV）曲線

（a）掃描速率為0.1 mV/s時，Ni₃N前三次循環的CV曲線；

（b）掃描速率為0.1 mV/s時，Ni₃S₂前三次循環的CV曲線；

（c）掃描速率為0.1 mV/s時，Ni₃N@Ni₃S₂前三次循環的CV曲線；

（d）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂首圈CV曲線對比。

圖-4. 樣品的電化學性能曲線

（a）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的首圈充-放電曲線；

（b）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的第二圈充-放電曲線；

（c）低電壓（< 0.5 V）下，樣品在第一圈和第二圈中的比鋰化容量；

（d）不同電流密度下Ni₃N@Ni₃S₂的充-放電曲線。

圖-5. 樣品的阻抗分析、倍率性能和循環性能曲線

（a）循環后Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的Nyquist曲線；

（b）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的倍率性能；

（c）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的循環穩定性測試曲線。

圖-6. 不同掃描速率下樣品的CV曲線及容量貢獻分布情況

（a）掃描速率為6 mV/s時，Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的CV曲線；

（b）不同掃描速率下，Ni₃N@Ni₃S₂的CV曲線；

（c）掃描速率為6 mV/s時，Ni₃N@Ni₃S₂中電容型容量和擴散控制型

容量對總容量的貢獻對比圖；

（d）不同掃描速率下，Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂中電容性容量對總容量的貢獻率對比圖。

圖-7. 界面儲能機理邊界示意圖

（a）鋰離子電池中界面儲能機制邊界示意圖；

（b）鋰離子電池中界面儲能機制邊界的實際過程。

【小結】

本文借助氮化-硫化處理制備得到電化學性能優異的Ni₃N@Ni₃S₂納米復合電極材料。復合材料有機結合了Ni₃N優異的贗電容特性和Ni₃S₂的擴散控制型容量，有效提高了電極材料的儲鋰容量和倍率性能。界面處的晶格失配為復合材料提高了更多的活性儲能位點。贗電容特性為復合材料提供了額外的儲鋰容量。巧妙設計的復合材料為電化學儲能器件的開發與設計提供了更加多元化的借鑒。

文獻鏈接：Phase Boundary Derived Pseudocapacitance Enhanced Nickel-Based Composites for Electrochemical Energy Storage Devices (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701681)

本文由材料人編輯部張杰編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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