新能源需求的快速增长促进了各种新型能源存储或能源转换器件的发展。其中，水系超级电容器因具有极高的安全性、优异的循环性能、超高功率及倍率性能，可作为高功率电源和快充设备用在汽车、电网储能、舰艇和激光武器上。但其能量密度较低，尤其是双电层电容（大多使用多孔碳作为电极）的能量密度通常不高于10 Wh kg-1。而具有氧化还原反应的赝电容电极材料通常会显示出较高的比容量，同时配合多孔碳或其他负极材料（如铁系）组成非对称超级电容器后会获得比双电层超级电容器（1 V）更高的电压（1.4 - 2 V），这对提高器件的能量密度至关重要。然而，赝电容电极材料因为导电性差、表面/界面/体相结构稳定性差等问题极大的增加了电容器的内阻，影响离子扩散，降低循环性能，最终使其失去超级电容器的诸多优势。因此，优化材料成分和有效构筑功能性界面以提高其赝电容性能对高能量密度超级电容器器件的研究具有重要意义。
为获得高性能超级电容器电极材料，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室柳永宁教授和陈元振副教授课题组联合澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授和周腾飞研究员课题组，在前期偏硼酸盐增强(Ni,Co)(OH)2结构稳定性以提高循环寿命（Nano Lett., 2017, 17, 429）研究工作的基础上，制备出了具有核壳结构的硼化镍@偏硼酸镍复合材料，将其用于非对称超级电容器正极，表现出优良的电容性能。究其原因，一方面是较小的颗粒尺寸有效地提高了材料利用率并降低离子的扩散路径；另一方面，复合材料厚的偏硼酸镍（Ni(BO2)2）壳层，因其BO2-中B原子处于电子不饱和状态，与硼酸显酸性的机理（B(OH)3+H2O=B(OH)4-+H+）类似，Ni(BO2)2也容易吸附OH-，这促进了电化学反应动力学，因此，使活性材料拥有了优良的倍率性能和循环性能。向复合材料中加入石墨烯后，进一步提高了导电性，使其表现出更高的比容量 (1882 F g-1在1 A g-1电流密度下) 和和优异的循环性能.组装的全电容器件，其能量密度达到50.4 Wh kg-1。
该工作为高能量密度超级电容器电极的发展引出了一个方向，从稳定材料结构和增强吸附能力上提高了材料的循环性能和倍率性能。
上述研究成果发表在近期的ACS Nano 期刊上，文章的第一作者是西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的陈元振副教授和澳大利亚伍伦贡大学的周腾飞研究员。
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Interfacial Engineering of Nickel Boride/Metaborate and Its Effect on High Energy Density Asymmetric Supercapacitors
Yuanzhen Chen, Tengfei Zhou, Lei Li, Wei Kong Pang, Xingmin He, Yong-Ning Liu, Zaiping Guo
ACS Nano, 2019, 13, 9376-9385, DOI: 10.1021/acsnano.9b04005
导师介绍
柳永宁
https://www.x-mol.com/university/faculty/51463
陈元振
https://www.x-mol.com/university/faculty/51485
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