赵丽君教授， CEJ综述：过渡金属硫化物材料在非对称超级电容器领域的研究进展- 大数跨境

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赵丽君教授， CEJ综述：过渡金属硫化物材料在非对称超级电容器领域的研究进展

科学材料站

2021-10-11

导读：该综述文章梳理了近期过渡金属硫化物基材料作为非对称超级电容器正极的研究进展，并着重提出了形态控制、界面工程

文章信息

过渡金属硫化物基纳米材料作为非对称超级电容器正极的研究进展

第一作者：高杨

通讯作者：赵丽君

单位：吉林大学

研究背景

在过去的几十年里，电化学储能装置（可充电电池和超级电容器）由于在混合动力汽车、智能便携电子以及工业电源和能源管理等领域的应用而受到广泛关注。与电池相比，超级电容器因其高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优越性能而脱颖而出。同时，低能量密度被认为是超级电容器发展的一个挑战。非对称超级电容器（ASCs），采用两种不同的电极材料，可以扩展其工作电压窗口，在不损害其功率密度和较长的循环寿命的前提下，满足储能容量的需求，具有广阔的发展前景。

此外，近年来的研究表明，过渡金属硫化物（TMSs）由于其成本低、氧化还原可逆性强、电子导电性好等优点，已成为一种很有前途的ASCs正极材料。然而，巨大的体积变化，反应动力学迟缓和可能有害的副反应等问题仍然需要研究人员来解决。

文章简介

基于此，来自吉林大学的赵丽君教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Review on Recent Advances in Nanostructured Transition-Metal-Sulfide-Based Electrode Materials for Cathode Materials of Asymmetric Supercapacitors”的综述文章。

该综述文章梳理了近期过渡金属硫化物基材料作为非对称超级电容器正极的研究进展，并着重提出了形态控制、界面工程、组分调控和复合工程等策略来提高材料的电化学性能，同时汇总了近期在研究此类材料性能提升方面的前景展望。

图1. 常见的提高过渡金属硫化物基电极材料的电化学性能的策略

文章要点

要点一：形貌设计与纳米结构控制

电极材料的电化学性能很大程度上取决于其形态和结构，而形态和结构对电解质离子的接触面积、扩散路径和结构稳定性都有影响。

一般来说，具有不同形貌的纳米结构TMSs，包括零维纳米颗粒，一维纳米线，纳米棒，纳米管，二维薄膜，纳米薄片和纳米板，以及三维花状，海胆状，分层多孔空心结构作为高性能电极材料已经得到了广泛的研究。

特别是三维层次结构的核-壳/中空纳米结构，拥有更理想的孔隙率，可以提供更多的电活性位点、更大的电极/电解质界面，抑制聚集，从而使TMSs材料表现出更优越的电化学性能。

要点二：界面工程

众所周知，界面（集流体/电极和电极/电解质）会影响电子和电解质离子的动力学、电化学活性位点的稳定性和器件的可靠性。元素掺杂、引入空位、碳材料表面修饰、设计新型集流体等都是改善界面性能以提高电极材料的电化学性能的方法。

例如，元素掺杂可以调节带隙，提高电极的本征性质，从而产生更多的电化学活性位点，进一步提高材料的性能；引入阴离子空位可以促进缓慢的电荷转移动力学。

要点三：材料的组合成分调节

调节材料的组成对其电化学性能也有重要影响。研究表明，二元、三元和四元的混合TMSs具有多重的氧化还原反应，较高的电导率和稳定性，进而对材料的电化学性能产生影响。

例如，在Ni-Co基材料体系中，Ni可以提高材料的电化学活性，而Co降低了电荷转移电阻，提高了材料的稳定性，使得材料具有较好的比电容和倍率性能。目前，Ni-Mn, Ni-Cu, Co-Mn, Ni-Fe等材料体系也被广泛报道。

要点四：与其他碳材料或过渡金属硫化物材料复合

单一的TMSs材料由于电导率较低，团聚严重，表现出较差的循环稳定性和倍率性能。为了改善上述问题，碳纳米管、还原氧化石墨烯、乙炔黑、碳气凝胶等不同类型的碳质材料被广泛用于与TMSs结合。

例如，二维石墨烯的室温电子迁移率为2.0×105 cm2 V−1 s−1，理论比表面积为2630 m2 g−1，化学稳定性高，是与TMSs复合的理想支撑材料。这些碳质材料可以提供较大的表面积，促进电子和离子的传输，从而显著提高材料的电化学性能。

除了与碳材料复合外，TMSs纳米材料还可以与其他过渡金属基材料复合。不同的阳离子可以通过组合来提高电子导电性和丰富的价态，从而提高电化学性能，这对实际应用特别有吸引力。具有互补特性的材料可以合理地消除某一材料的局限性，因此，相比于单一材料，复合结构不仅具有更好的储能能力，还拥有更高的灵活性和稳定性。

要点五：前瞻与展望

当前过渡金属硫化物电极材料具有导电性好、理论比电容高、结构多样、成本低等优点，在超级电容器领域显示出巨大的应用潜力。然而，反应动力学迟缓、电导率相对较低、体积膨胀等问题导致材料的速率性能和循环稳定性不佳。

为了克服上述问题，研究人员成功地采用了形态控制、界面工程、组分调控和复合工程等多种策略。设计合理的纳米结构，特别是具有三维层次结构的核-壳/空心纳米结构，可以提供更多的活性位点，更大的电极/电解质界面，抑制聚集，从而使电极材料具有更好的电化学性能。此外，复合结构不仅比单一材料结构具有更好的储能能力，而且具有更高的灵活性和稳定性。

为满足规模化生产和商业化应用需求，开发具有优异性能和合适的不腐蚀电解液的先进负极材料，进一步发展数学建模和仿真计算，以预测结构活性关系，是今后具有挑战性但又十分必要的工作。

文章链接

Review on Recent Advances in Nanostructured Transition-Metal-Sulfide-Based Electrode Materials for Cathode Materials of Asymmetric Supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132745

通讯作者简介

赵丽君教授。

2006年博士毕业于吉林大学化学学院，随后在中国科学院长春应用化学研究所从事博士后研究工作。现任吉林大学材料科学与工程学院教授，研究方向是新能源材料领域，重点从事锌离子电池、水分解、超级电容器的研究和应用。至今已发表第一作者和通讯作者SCI论文100篇，他引次数3000余次，h因子30。