Adv. Energy Mater.：相边界引发的赝电容增强镍基复合材料电化学储能器件

【引言】

过渡金属化合物具备较高的理论储锂容量，成为理想的锂离子电池电极材料。然而，相对较差的导电性和结构稳定性很大程度上限制了其实际应用。复合材料可以利用协同效应，提高材料的性能。研究发现：复合材料相界面的出现会导致晶格失配，形成更多的活性储能位点，同时也有利于锂离子和电子的传递。赝电容材料可以在材料的表面和近表面通过法拉第电荷传递储存更多能量，提升活性物质的储锂容量。

【成果简介】

近日，中山大学的童叶翔教授、宋树芹副教授和Muhammad-Sadeeq Balogun博士（通讯作者）等在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Phase Boundary Derived Pseudocapacitance Enhanced Nickel-Based Composites for Electrochemical Energy Storage Devices”的研究论文，报道了相边界引发的赝电容增强镍基复合材料电化学储能器件的最新研究进展。研究人员通过退火和硫化处理制备得到了氮化镍@硫化镍（Ni₃N@Ni₃S₂）纳米片复合材料。研究发现：Ni₃N和Ni₃S₂之间的相边界是导致复合材料高储锂容量的关键因素。Ni₃N较为出色的赝电容特性和Ni₃S₂较为理想的扩散控制型容量形成协同效应，共同提升了复合材料的电化学储能性能。通过界面失配和赝电容特性和结合，研究人员为未来高性能电化学储能器件的设计提供了新的思路参考。

【图文导读】

示意图-1. 复合材料的制备流程示意图

图-1. 样品的XRD谱图和XPS谱图

（a）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S2的XRD衍射谱图；

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

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

图-2. 样品的电子显微镜图片及元素分布图

（a）Ni₃N的扫描电子显微镜（SEM）图片；

（b）Ni₃N@Ni₃S₂的SEM图片；

（c）Ni₃N@Ni₃S₂的低倍透射电子显微镜（TEM）图片；

（d）Ni₃N@Ni₃S₂的高分辨透射（HRTEM）图片。插图为绿色方框区

域对应的选区电子衍射（SAED）衍射花样；

（e）图2-（d）中黄色方框区域放大的HRTEM图片；

（f）图2-（d）中绿色方框区域放大的HRTEM图片；

（g-j）Ni₃N@Ni₃S₂中的EDS元素分布图；

（k）Ni, S, N的元素分布叠加图。

图-3. 样品的循环伏安（CV）曲线

（a）扫描速率为0.1 mV/s时，Ni₃N前三次循环的CV曲线；

（b）扫描速率为0.1 mV/s时，Ni₃S₂前三次循环的CV曲线；

（c）扫描速率为0.1 mV/s时，Ni₃N@Ni₃S₂前三次循环的CV曲线；

（d）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂首圈CV曲线对比。

图-4. 样品的电化学性能曲线

（a）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的首圈充-放电曲线；

（b）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的第二圈充-放电曲线；

（c）低电压（< 0.5 V）下，样品在第一圈和第二圈中的比锂化容量；

（d）不同电流密度下Ni₃N@Ni₃S₂的充-放电曲线。

图-5. 样品的阻抗分析、倍率性能和循环性能曲线

（a）循环后Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的Nyquist曲线；

（b）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的倍率性能；

（c）Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的循环稳定性测试曲线。

图-6. 不同扫描速率下样品的CV曲线及容量贡献分布情况

（a）扫描速率为6 mV/s时，Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂的CV曲线；

（b）不同扫描速率下，Ni₃N@Ni₃S₂的CV曲线；

（c）扫描速率为6 mV/s时，Ni₃N@Ni₃S₂中电容型容量和扩散控制型

容量对总容量的贡献对比图；

（d）不同扫描速率下，Ni₃N，Ni₃N@Ni₃S₂，Ni₃S₂中电容性容量对总容量的贡献率对比图。

图-7. 界面储能机理边界示意图

（a）锂离子电池中界面储能机制边界示意图；

（b）锂离子电池中界面储能机制边界的实际过程。

【小结】

本文借助氮化-硫化处理制备得到电化学性能优异的Ni₃N@Ni₃S₂纳米复合电极材料。复合材料有机结合了Ni₃N优异的赝电容特性和Ni₃S₂的扩散控制型容量，有效提高了电极材料的储锂容量和倍率性能。界面处的晶格失配为复合材料提高了更多的活性储能位点。赝电容特性为复合材料提供了额外的储锂容量。巧妙设计的复合材料为电化学储能器件的开发与设计提供了更加多元化的借鉴。

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

本文由材料人编辑部张杰编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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