固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

随着可再生清洁能源(例如太阳能、风能等)技术的快速发展，亟需开发与之相匹配的高性能的电化学能量存储体系来实现电能的有效存储和转换。众所周知，电极材料是影响电化学储能体系性能的最为关键的因素，因此有必要开发性能优异、成本低、环境友好的电极材料。基于此，本文通过不同方法制备了一系列结构和形貌可控的镍和铋基化合物电极材料，利用场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和N₂吸附脱附等分析测试手段对所制备材料的形貌、组成、结构进行了深入分析，详细研究了它们在碱性电解液中的储能性能和储能机理，并进一步揭示了电极材料的形貌、组成及结构与其电化学性能间的关系。主要研究内容和结果如下：

1．利用一步溶剂热法制备了一系列的Ni(HCO₃)₂和Ni(HCO₃)₂/石墨烯复合材料，并研究了其作为超级电容器电极材料的储能性能。SEM、TEM、XRD和XPS结果表明：Ni(HCO₃)₂和石墨烯(GS)可实现均匀复合，且Ni(HCO₃)₂颗粒均匀沉积在石墨烯表面形成松散堆积的结构。该复合材料展示了良好的电化学储能性能，在4 Ag^-1时比电容达到1200 Fg^-1，并且具有良好的倍率性能和循环稳定性。另外深入研究了材料赝电容反应机理和性能衰减原因，发现在恒电流充放电过程中存在一个电化学诱导的相转变过程，即Ni(HCO₃)₂在电化学测试后会转变为β-Ni(OH)₂，另外结构坍塌也是造成其性能衰减的原因之一。

2．传统复合材料中，由于氧化物颗粒与石墨烯之间相互作用较弱，在制备以及充放电的过程中，氧化物颗粒仍然容易团聚或者脱落，造成材料性能下降和衰减，若在Ni(OH)₂微球表面包覆一层石墨烯，使其限定在石墨烯的“壳”中，可能是解决这一问题的有效方法。我们通过静电相互作用制备了石墨烯包覆的Ni(OH)₂空心球结构的复合材料。与纯的Ni(OH)₂ 微球相比，石墨烯包覆的Ni(OH)₂比电容明显提高，且具有更好的循环稳定性。这归因于高导电性的石墨烯可以为电子的传输提供通道，减短电子和离子传输的距离，另外，石墨烯优异的机械性能能够阻止活性材料在充放电过程中的坍塌和脱落。

3．通过控制反应条件，合成了不同形貌和微结构的氧化铋及其衍生物，详细测试了它们在碱性电解液中的电化学性能和储能机理。结果表明铋基材料具有较高的比容量和优异的倍率性能，其电荷存储主要是基于Bi³⁺和Bi金属之间的氧化还原反应。进一步制备出不同尺寸和微结构的样品并对电化学储能性能进行深入研究，证实了大的比表面积和3D多孔的结构有利于提高材料的电化学性能。

4．合成了尺寸均一海胆状结构的 Bi2S3和花状的Co(OH)₂，并将其分别作为负极和正极首次成功构建了Co(OH)₂//Bi₂S₃水系不对称电容器。该水系不对称电容器在KOH电解液中的工作电压为1.6 V，展示了良好的电化学性能。在802 W kg^-1的功率密度下输出38 Wh kg^-1的能量密度，并且在功率密度为8000 W kg^-1时能量密度仍能保持在 31 Wh kg^-1，明显高于Bi₂S₃//Bi₂S₃、Co(OH)₂//Co(OH)₂和Co(OH)₂//AC电容器，证明Bi₂S₃是一种极具潜力的负极材料。

5．利用简单化学沉积法，分别制备了石墨烯负载Ni(OH)₂纳米颗粒和石墨烯包覆Bi₂O₃棒的复合材料。由于石墨烯良好的导电性和机械性能不仅能够提高复合材料整体的导电性，并且能够减缓活性材料在充放电过程中的坍塌和脱落，复合材料与纯的金属化合物相比展示了更好的电化学性能。将石墨烯/Ni(OH)₂纳米颗粒和石墨烯/Bi₂O₃棒分别作为正极和负极材料组装成两电极体系，该体系在KOH电解液中具有高的比容量和良好的倍率特性。功率密度为149 W kg^-1时能量密度可以达到82.6 Wh kg^-1，并且在功率密度为 1340 W kg^-1时能量密度仍能保持在58 Wh kg^-1。