超级电容器表面处离子迁移相对数量受材料表面结构影响

张娇霞教授CEJ最新观点：超级电容器表面处离子迁移相对数量受材料表面结构影响

【文章信息】

高电化学性能的Ni3S2@CuS电极材料表面离子运动

第一作者：刘建枰 蒲柳月

通讯作者：张娇霞

单位：江苏科技大学

【研究背景】

近年来，层状过渡金属二硫化物作为一种新型的储能电极材料。硫化铜是一种重要的过渡金属硫族化合物，是一种典型的p型半导体，具有廉价、丰富的储备优势，广泛应用于锂离子电池、催化剂、化学传感器、太阳能电池和超级电容器等领域。硫化铜因其类金属的电导率（10-3 S/cm）和与聚硫化物电解质的氧化还原反应良好而是首选的电极材料硫化铜结构已被多种方法成功调控，包括纳米笼、纳米线、三角形纳米棱镜、纳米片网络、空心纳米球、纳米片、纳米球。硫化铜常用的制备方法是溶剂热法，通过控制反应物来调节硫化铜的形态。硫化铜活性物质通常用乙炔黑色和PVDF研磨，均匀涂在收集器的泡沫镍上作为电极。不幸的是，用这种方法制备的硫化铜电极片具有较高的内阻，且活性材料在测试过程中容易脱落，这影响了电极的性能和使用寿命。

双电层超级电容器的分子动力学研究已经取得了成功并且相关的理论研究和实验研究也已经较为成熟。然而，由于目前缺乏模拟氧化还原反应的充电方法，对赝电容器的研究很少。

【文章简介】

近日，来自江苏科技大学的张娇霞教授，在国际知名期刊chemical engineering journal上发表题为“Tracking Surface Ionic Movement of Ni3S2@CuS Electrode Materials with High Electrochemical Performancees”的文章。该文章报道了一种新的制备超级电容器的方法并结合分子动力学模拟得到了在复杂二维电级材料在充电过程中其表面的电解质离子的运动规律。

图 1原位硫化铜生长实验示意图

图 2 电级表面离子浓度在充电过程中的动态变化图

【本文要点】

要点一 通过在集流体上生长电级材料获得高性能超级电容器

将泡沫镍硫化生成Ni3S2，硫化铜直接在Ni3S2衬底物上原位生长，形成Ni3S2@CuS复合材料。传统上，该电极是通过将该电极活性材料涂覆在集电极上而产生的。集电器收集由电极活性物质产生的电流，并将电极电流输入到活性物质。其电导性、化学和电化学稳定性、机械强度以及与集电极的电极活性物质的结合能力将极大地影响电极的性能。

与传统的方法不同，我们的超级电容器是通过将活性材料直接生长在集电极上来制造的，这种方法将极大地促进集电极和电极活性材料之间的电子传递。我们找到了制备该复合材料的最佳水热反应温度和时间，并对该复合材料进行了多次测试，并与纯Ni3S2电极进行了电极比较，以揭示其优越的电化学性能。然后将该复合材料作为正材料，活性碳作为负材料组装超级电容器器件。

Figure 3 SEM image of sample Ni3S2@CuS-x-4h, (a) Ni3S2@CuS-160-4h, (b) Ni3S2@CuS-190-4h, (c) Ni3S2@CuS-220-4h, (d) CuS powders, and (e) Ni3S2

Figure 7 (a)CV curves of assembled AC- Ni3S2@CuS supercapacitors measured at different operating voltages at 20 mV/s;(b) CV curves of assembled AC- Ni3S2@CuS supercapacitors at different scan rates;(c) GCD curves of AC- Ni3S2@CuS supercapacitors at different current densities from 1 to 20 A/g;(d) Calculated specific capacitance of the device as function of current density;(e) Ragone plots of the device compared with previously reported data;(f) Cyclic stability of the device at 3 A/g

要点二 通过分子动力学研究获得复杂电级材料表面在充电过程中的离子迁移规律

为了揭示该材料的充电机制，我们对赝电容进行MD分析，我们只关注在氧化还原反应发生前充电过程的瞬时时刻（1ns）时，带电电极对电极表面附近电解质浓度的影响。我们打算找出电极表面结构对电极表面附近离子运动的影响，并进一步推导出其对器件电容的影响,并且结果与我们的实验结果一致。

Figure 9(a) K+ ion number density in Z direction on the surface of pure Ni3S2 electrodes, (b) pure Ni3S2 electrodes surface in Z direction, and (c) OH- ion number density in Z direction on the surface of pure Ni3S2 electrodes (d) K+ ion number density in Z direction on the surface of Ni3S2@CuS electrodes, (e) Ni3S2@CuS electrodes surface in Z direction, (f) OH- ion number density in Z direction on the surface of Ni3S2@CuS electrodes.

Figure 10 Proportion of each mechanism on positive electrode material

【文章链接】

Tracking Surface Ionic Movement of Ni3S2@CuS Electrode Materials with High Electrochemical Performancees”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141910

【通讯作者简介】

张娇霞教授简介：硕博毕业于西北工业大学，主要从事对聚合物基复合材料改性、功能纳米材料在能源技术、空气净化及水处理等的应用研究。主持并完成包括国家自然科学基金项目，江苏省自然科学基金项目，镇江市海洋功能薄膜材料高技术研究重点实验室开放课题等多项国家及省部级项目。获批江苏省科技副总项目。主持横向课题低收缩型不饱和聚酯的制备技术，车厢体用高强度轻量化复合泡沫材料的研发。

​以第一或通讯作者在ACSNano,Carbon,JPowerSources, Compos Part B-Eng, J Colloid Interf Sci等权威期刊发表学术论文70余篇(ESI高被引论文3篇)。担任Engineered Science期刊编委，江苏省科技项目副总。荣获江苏省微课比赛三等奖，互联网+大学生创新创业大赛获得二等奖，全国大学生微结构大赛获得优秀指导教师，中国产学研合作创新成果奖一等奖、镇江市产学研合作项目奖-等奖、 镇江市科技进步奖二等

【第一作者介绍】

刘建枰 江苏科技大学材料学院硕士研究生

蒲柳月 江苏科技大学材料学院硕士研究生