相對于傳統(tǒng)的雙電層超級電容器（EDLCs）和可再充鋰子電池（LIBs），由電容電極和電池型法拉第電極組成的雜化超級電容器（Hybrid supercapacitors, HSCs）能實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和功率密度，這主要是由電池型電極更高的容量和電極對更寬的電壓窗口引起的。因此，HSCs的研究引起了人們廣泛關(guān)注。作為一種在堿性電解液中很有希望的超級電容器電極材料，氫氧化鎳（Ni(OH)2）由于相變通常表現(xiàn)出一對明顯分開的法拉第氧化還原峰，所以它在過去幾十年里被廣泛地報(bào)道為一種超級電容器的贗電容材料。近來研究表明Ni(OH)2在堿性介質(zhì)中能表現(xiàn)出電池類型行為，因而可以認(rèn)為是一種電池型材料。然而，Ni(OH)2通常具有不可逆的相變，大的體積變化和低的電子電導(dǎo)率，導(dǎo)致耐久性差和有限的倍率等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了它在HSCs方面的應(yīng)用。

 

　　許多工作一直在致力于解決上述問題。為了提高Ni(OH)2電極的電子導(dǎo)電性，已報(bào)道了引入電子導(dǎo)電的第二相或者直接在導(dǎo)電基底上生長Ni(OH)2的方法。為了進(jìn)一步提高Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能，研究者們還開發(fā)了材料結(jié)構(gòu)納米化以及原子替代或摻雜等方法。相比于結(jié)構(gòu)納米化或者石墨烯復(fù)合法，原子替換或者摻雜是目前提高Ni(OH)2電極最有效的方法，但是具體的性能提高機(jī)制仍然不清楚。相應(yīng)地，對HSCs的Ni(OH)2電極的合理設(shè)計(jì)或優(yōu)化仍然缺乏科學(xué)依據(jù)。此外，將上述幾種方法結(jié)合起來預(yù)計(jì)會使Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能有更大的提高，但是如何實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)仍然是一個挑戰(zhàn)。

 

　　近日，美國佐治亞理工大學(xué)劉美林教授(通訊作者)團(tuán)隊(duì)基于之前原位拉曼研究Ni(OH)2儲能機(jī)理的結(jié)果，與廈門大學(xué)張橋保助理教授(通訊作者)合作，首先通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，系統(tǒng)地研究了金屬鈷和錳（Co、Mn）分別摻雜以及共摻雜Ni(OH)2的影響，指出Mn摻雜主要是提高了Ni(OH)2電極的容量，而Co摻雜主要是提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果，他們通過一步化學(xué)浴合成法獲得了一系列還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合摻雜Co、Mn的Ni(OH)2納米晶體電極材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于Ni-Co-Mn-OH/rGO復(fù)合電極和PPD/rGO電極的HSCs在功率密度分別為1.68和18.5 kW·kg-1（放電時間為9.7 s）時的能量密度分別為74.7和49.9 W·kg-1，顯示出了超快的儲能能力。其能量密度比傳統(tǒng)的EDLCs要高得多，而且功率密度比傳統(tǒng)的LIBs也要高得多。與近期報(bào)道的高性能HSCs相比，氫氧化物/rGO復(fù)合電極和PPD/rGO電極的HSCs表現(xiàn)出了相當(dāng)優(yōu)越的重量能量/功率密度。同時，其還具有相當(dāng)高的循環(huán)容量和長循環(huán)壽命：在20 A g-1下能保持10,000次循環(huán)的長循環(huán)壽命。

 

　　該研究成功地將幾類優(yōu)化Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，通過DFT預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，揭示了Ni(OH)2上有利的陽離子取代的起源，為過渡金屬化合物儲能材料的理性設(shè)計(jì)提供了新的思路和重要的見解。