关键词：硫化物; 赝电容; 混合型; 电荷传输;

厦门大学叶美丹副教授课题组在硫化物电荷存储方面取得新进展。成果以“Electrochemical Charge Storage Behavior of Various NiCo2S4 Hierarchical Microstructures”为题发表在美国APS杂志Physical Review Applied上（Phys.Rev. Applied, 2021, 15, 064042。

当前，储能系统在不同领域内扮演着越来越重要的角色，高功率密度、高能量密度的新型储能装置随着各种便携式电子产品和电动汽车的蓬勃发展而亟待开发。其中，电化学储能系统（如超级电容器和锂离子电池等）由于具有充放电效率高、周期长、维护成本低等优点，在便携式电子设备的供电和运输部门的电气化方面显示出巨大的应用潜力。对于电化学储能装置，大多数能够提供表面氧化还原电容或离子插层的法拉第电极显示出较差的导电性。因此，合理设计具有快速电荷转移动力学的电极材料是非常必要的。近年来，通过电极材料的纳米级结构设计和复合制备探索，研究人员提出了减小颗粒尺寸、控制形貌、设计杂化材料等策略。通过设计具有不同形态的纳米活性材料，以缩短离子扩散长度，增大电活性面积；在单电极设计中混合两种或多种电活性材料，提高单个组分的耦合效应，进而提高其电荷储存能力，但这也增加了体系电化学行为的复杂性。此外，在纳米尺度范围内，人们发现电化学电容和电池之间的边界变模糊了。同一电极材料可根据其结构、形态、粒径和插层离子显示赝电容行为（即，电极呈现线性或近似线性的电荷放电曲线而无明显电压稳定区，且在循环伏安曲线中提供宽且几乎重叠的氧化还原耦合峰）或类电池行为（即，电极呈现清晰的放电平台，且在循环伏安曲线中显示分离良好的氧化还原峰）。

金属硫化物，特别是过渡金属硫化物，因其优异的电化学反应特性被广泛应用于超级电容器中，而随着硫化物微纳米电极材料的不断开发，许多金属硫化物电极都显示出混合电荷存储行为，但是目前对这一现象缺乏系统的讨论和认识。鉴于此，厦门大学叶美丹课题组从实验的角度出发，通过设计一系列硫化物微纳米结构电极，从电极组分和微观结构两方面因素探讨硫化物的电荷储存行为。在前期工作中（Appl. Phys. Lett., 2020, 116(19), 193901），我们构筑了三种FeCo2S4电极（图1，即一维纳米线、二维纳米片以及由纳米线和纳米片自组装形成的三维分级结构），实验结果显示三类FeCo2S4电极均主要以赝电容方式存储电荷，其中三维结构电极具有最佳的电荷传输特性和最高的电荷储存容量。近期，我们以NiCo2S4纳米线为组装单元实现了四种NiCo2S4电极的制备（图2），实验测试发现四种NiCo2S4电极均表现出混合电荷存储行为，随着循环扫描速率增加，电极内部离子扩散过程受到限制，表面赝电容行为贡献率增大。其中，当纳米线以规则方式排列形成刷子状三维结构时可兼顾电极的内外表面反应位点、电子传输通道和离子扩散路径，达到最佳的电荷存储性能（即容量、倍率、能量密度、功率密度和循环稳定性）。该工作显示了硫化物电极材料的微观结构与宏观电化学特性的密切关联性，同时为兼具功率密度和能量密度电极的制备提供了设计思路。

该成果以“Electrochemical Charge Storage Behavior of Various NiCo2S4 Hierarchical Microstructures”为题发表在美国APS杂志Physical Review Applied上（Phys. Rev. Applied, 2021, 15, 064042）。

图1. 不同FeCo2S4电极的形貌和电化学性能。

图2. 不同NiCo2S4电极的形貌和电化学性能。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.064042