“海胆状”超电电极材料！NiCo2S4@中间相炭微球

2  NCS@MCMB纳米复合材料得益于其独特的结构以及基底材料与活性材料之间的协同效应，在用于超级电容器电极材料以及非对称超级电容器正极材料时，表现出了优异的电化学性能。

双金属硫化物NiCo2S4由于具有优异的赝电容特性，所以具有良好的电化学活性以及能量存储能力，非常适合用于超级电容器电极材料。

而中间相炭微球是一种导电性优异、结构稳定的碳材料，它类球形的结构以及粗糙的表面能够为晶体的生长提供大量的吸附位点，非常适合作为复合材料的基底材料。

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中国地质大学（北京）张以河课题组通过两步水热法，使NiCo₂S₄纳米针均匀锚定在碳球材料的表面，形成一种开放的海胆状结构。

这种开放的结构使得NiCo₂S₄纳米针被充分的展开，防止了其团聚，并且增大了电解液中活性物质的利用率，同时提高了离子/电子的传输效率。

此外，得益于NCS和MCMB之间的协同效应，复合材料在被用作超级电容器电极材料时，表现出了优异的电化学性能。

在1 A/g的电流密度下，拥有936 F/g的比电容量；在5 1 A/g的电流密度下，经3000次循环后，依然有94%的比电容保留。并且，当NCS@MCMB被用作组装非对称器件时，其拥有7000W/kg下21.39 Wh/kg的能量密度。

NCS@MCMB的制备

① 通过静电相互吸引，钴源和镍源的阳离子被吸附在负电性的MCMB表面；

② 第一步的水热过程形成具有初步海胆状形貌的中间相前驱体；

③ 第二次水热完成硫化，在保持了海胆状形貌的同时，合成了最终的NCS@MCMB复合材料。

图1 NCS@MCMB纳米复合材料的制备过程

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活性物质含量比不同的NCS@MCMB材料对比

经过探索各种比例样品的电化学性能，综合比电容量、倍率性能等，活性物质含量75%的NCS@MCMB-75%样品最适合作为电极材料。

一方面，NCS纳米针被充分展开，与电解质中的OH^–充分接触，促进了NCS纳米针上的法拉第氧化还原过程。

另一方面，高导电性MCMB作为基底支持每个NCS纳米针，大幅度增强了复合材料的电子转移能力。

图3 活性物质含量比不同的各复合材料（NCS占比65%、75%、85%）的电化学数据对比（a-d和g-h），最优样品NCS@MCMB-75%的CV、GCD数据（e、f），以及电子传输原理示意图（i）。

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NCS@MCMB//AC非对称器件的结构图

以NCS@MCMB为正极、活性炭为负极的非对称器件表现出7000 W/kg下21.39 Wh/kg的能量密度以及10 A/g下3000次循环后96.2%的比电容保留。

在随后的实际应用效果图中，两个器件的电压能够达到2.75 V，并且经充电后成功将白色LED（工作电压约3 V）点亮约18分钟

图4 NCS@MCMB//AC非对称器件的结构图（a），电化学性能数据（b-e）以及实际应用效果（f）。

作者简介

张以河

（本文通讯作者）

教授、博士生导师

中国地质大学(北京)

材料科学与工程学院院长

主要研究领域：

①  高分子复合材料。②  石墨烯、光催化等纳米复合材料。③  固废与矿物资源材料化利用。

先后主持“十三五”国家重点研发计划课题、“十二五”863重大项目子课题、国家科技支撑计划项目子课题、国家自然科学基金面上项目、教育部科学技术研究重点项目、中国地质调查综合利用项目、香港政府创新基金、国防基础科研/预研/型号课题等60余个，主笔编制国家有关行业的新材料发展规划、发展战略等。

目前在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy 等SCI期刊上共发表论文300余篇，累计被引8000余次，他引7000余次；14 篇论文入选 ESI 前 1 % 高被引论文；申请发明专利40余项并授权20余项，获国土资源科学技术二等奖2项及其他省部级科技奖。

Email:zyh@cugb.edu.cn

孙黎

（本文通讯作者）

副教授、硕士生导师

中国地质大学(北京)

材料科学与工程学院

2003-2007，清华大学材料科学与工程系，学士；2007-2009，清华大学材料科学与工程系，硕士；2019-2013，香港理工大学应用物理系，博士；

2013-2015，清华大学物理系清华-富士康纳米科技研究中心，博士后；2015至今，中国地质大学（北京）材料科学与工程学院讲师，副教授。

主要研究纳米复合功能材料及其在电池和超级电容器领域的应用。研究工作主要涉及锂离子电池、锂硫电池等先进电池用电极材料及超级电容材料的制备、结构和机械物理性能表征。

已在Nano  Letters, ACS  Nano, Journal  of Materials  Chemistry  A, Journal  of Power  sources等国际知名学术期刊发表论文20余篇

Email：sunli@cugb.edu.cn