EA：具有丰富界面、核壳结构的磷酸镍钴铵用于水系混合储能器件-Yufeng Zhao

将扩散控制的电池材料用于超级电容器能够显著提升超级电容器的能量密度，但是由于电池材料自身缓慢的电荷传输动力学会影响超级电容器的功率密度。这个问题可以通过对电池材料的结构进行改性，使得电容控制的电和储存机制占主导。在这项工作中，通过结合肯达尔效应与奥斯瓦尔德熟原理成功化合成了具有丰富界面的以多晶(NH4)(Ni,Co)PO4·0.67 H2O 纳米片为壳、单晶(NH4)(Ni,Co)PO4·0.67 H2O为核的核壳结构（NCoNiP@NCoNiP）。这种独特的核壳结构通过界面的空位、空隙处存在的额外电荷促进电荷的协同快速传输。因此，这种独特的核壳结构体现出突出的电化学性能，在1A g-1时，容量高达193mAh g-1, 到10A g-1时，容量为182.9mAh g-1,容量保持率为96.1%。同时，通过动力学分析得出，电池-超级电容器混合储能器件的在高扫描速度下显示出具有超级电容器特征。此外，基于NCoNiP@NCoNiP材料组装的混合储能器件表现出优异的电化学性能，当能量密度为44.5Wh/kg时，功率密度为150W/kg,当功率密度高达7.4 kW/kg时，功率密度仍然为30Wh/kg. 在1.0A g-1下循环7000圈容量保持率为77.5%. 这项工作通过将电池材料结构纳米化，实现电荷储能机制由扩散控制向电容控制的转变，为电池材料用于高功率器件提供了一个新的策略。

图1 为NCoNiP@NCoNiP核壳结构的形成过程示意图

图2 （a-b）NCoNiP@NCoNiP核壳结构的TEM图；（c）为NCoNiP@NCoNiP核壳结构的SAED图；（d-e）图为NCoNiP的TEM 图; (f) NCoNiP结构的SAED图；（g）NCoNiP@NCoNiP和NCoNiP 的XRD图；（h）NCoNiP@NCoNiP and NcoNiP的N2吸脱附曲线；（i）NCoNiP@NCoNiP 的孔径分布图。

图3 (a) NCoNiP@NCoNiP 和 NCoNiP的) CV曲线在 5 mV s-1; (b) NCoNiP@NCoNiP 的CV 曲线在5-100 mV s-1; (c) NCoNiP@NCoNiP 和 NCoNiP GCD曲线在0.5 A g-1; (d) NCoNiP@NCoNiP 在1-10 A g-1 的GCD 曲线; (e) NCoNiP@NCoNiP容量随着电流密度变化的曲线示意图。

图4 (a-c) NCoNiP@NCoNiP的动力学分析; (d) NCoNiP@NCoNiP能量储存机理图

(a) NCoNiP@NCoNiP //HPC 在2-500 mV s-1的CV曲线; (b) NCoNiP@NCoNiP//HPC 在 0.2-10 A g-1下的GCD曲线; (c) NCoNiP@NCoNiP//HPC在不同电流密度下的比容量；(d), (e) NCoNiP@NCoNiP//HPC与文献比较的Ragone图; (f) NCoNiP@NCoNiP//HPC 在 1 A g-1的长循环性能图. (g-h) NCoNiP@NCoNiP //HP的动力学分析.

该工作得到河北省杰出青年科学基金（B2017203313），国家自然科学基金（21403185,51590882,51631001），国家重点研究发展计划（2016YFA0200102），国家自然科学基金委与RGC联合研究计划（51361165201），留学人员科学研究基金（CG2014003002）和武汉理工大学材料合成与加工新技术国家重点实验室（武汉理工大学2017年-KF-14）资助。

Miao Wang,Yueping Zhao, Xuejiao Zhang, Ruijuan Qi, Shanshan Shi, Zhiping Li, Qingjie Wangc, Yufeng Zhao

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.04.005