长安储能研究院：超亲水纳米片助力超级电容器性能飞跃

2023-12-26 11:44

长安储能研究院是由长安绿电科技有限公司全额拨款、并与西安交大国家储能研究平台的多位教授科学家共建的新能源储能科研平台，聚焦储能领域的前沿技术研究和市场洞察，推动产学研用从理论走向实至。

近日，谷建民教授课题组在国际知名期刊《Rare Metals》上发表了一篇题为“Superhydrophilic nickel hydroxide ultrathin nanosheets enable high-performance asymmetric supercapacitors”的研究报告。报告指出一种超亲水氢氧化镍超薄纳米片，极大的提升了非对称超级电容器的性能。

非对称超级电容器，作为新一代关键的能量存储设备，融合了电池的高能量密度和传统电容器的高功率输出特性，因此在保持较高功率输出的同时提升了能量密度。作为电极材料的过渡金属氧化物和氢氧化物因其卓越的理论比电容、灵活的改性以及优异的化学和热稳定性而受到关注，被证明能够提供显著的比电容性能。尽管如此，超级电容器的能量存储机制仍局限于电极表面反应，而过渡金属氧化物和氢氧化物较低的表面自由能导致的天然疏水性成为了限制这些材料实现其理论电容的主要瓶颈，该问题是金属氧化物和氢氧化物基超级电容器面临的一大挑战。

在这次研究中，谷建民教授课题组通过使用柠檬酸辅助策略，成功将16纳米厚的氢氧化镍厚纳米片（HNHTNs）转化为只有6.8纳米厚的超亲水氢氧化镍超薄纳米片（SNHUNs）。这一改变不仅使水接触角达到了0°，表明了其超亲水性，还将材料的表面自由能从8.6 mN/m增加至惊人的65.8 mN/m。

这种表面性质的巨大转变直接导致了性能的显著提升——SNHUNs的比电容提升至HNHTNs的近两倍，即在2Ag-1的电流密度下，从1230 F/g-1飙升至2350 F/g-1，并且即使在高达20Ag-1的电流密度下，比电容仍然由833 F/g-1增加至1670 F/g-1。此外，在功率密度为160 W/kg-1时，通过SNHUNs和活性炭组装的非对称电容器能够实现高达52.44 Wh/kg-1的能量密度，并且经过5000次充放电循环后，高比电容可以保持约90%的性能（在9500次循环后仍能保持80%）。

高电化学性能的飞跃提升，得益于超亲水表面引入的液体亲和力，它降低了电极与电解质之间的界面电阻，并优化了电子传输路径。长安储能研究院认为这项柠檬酸诱导的创新方法，不仅展现了调节电极表面润湿性以提升性能的巨大潜力，也为研发新型高性能超级电容器材料开辟了新途径。

随着储能技术的持续跃进，长安储能研究院预测超级电容器预期还将经历技术革新，尤其是在快速充放电和高功率输出的领域中迎来更大的发展空间。长安储能研究院将继续扩充研发实力，紧跟储能技术最新动态，致力于推动传统能源向清洁能源的转型升级。

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