超级电容器作为一种新型储能器件，因其优异的快速充放电性能、高功率密度和高循环寿命等特点而在电动汽车以及储能系统中具有广泛的应用前景。研究开发兼具高能量密度和高功率密度的新型超电容电极材料对高性能超级电容器的应用具有重要意义。近期，材料科学与工程学系、硅材料国家重点实验室在高能超级电容器材料研究上取得了系列进展。
继2011年报道了模板法制备多孔纳米NiO薄膜材料后（J. Mater. Chem., 21 (2011) 671）后，课题组设计开发了一系列高性能钴镍体系的赝电容超级电容器电极材料(Chem. Commun., 47 (2011) 5786; Chem-Eur. J., 17 (2011) 10898; J. Mater. Chem., 21 (2011) 9319; J. Phys. Chem. C, 115 (2011) 22662; RSC Adv., 2 (2012) 1835)。在此基础上，课题组于2012年5月和9月先后在ACS Nano (6 (2012) 5531)和 Chemistry of Materials (24 (2012) 3793)发表了“High-Quality Metal Oxide Core/Shell Nanowire Arrays on Conductive Substrates for Electrochemical Energy Storage”和“Porous Hydroxide Nanosheets on Preformed Nanowires by Electrodeposition: Branched Nanoarrays for Electrochemical Energy Storage”的论文，提出了利用核壳结构结合三维立体纳米阵列来构建兼具高能量密度和高功率密度的赝电容电极材料。采用简易高效的化学浴法、电沉积法及水热法在多种导电基底上制备合成了高性能的Co3O4/NiO及 Co3O4/Co(OH)2核壳纳米线阵列，并提出了生长机理，为其他高性能超电容材料的构筑提供了指导作用。研究表明异质核壳结构结合三维纳米阵列能提供大的比表面反应面积和短电荷/离子输运通道，能有效提高电极反应动力学进而实现高能量密度和高功率密度并举。其中自支撑Co3O4/NiO核壳纳米线阵列（图1）在工作电流密度2 A/g循环6000次后比电容量达853 F/g，而Co3O4/Co(OH)2核壳纳米线阵列（图2）的初始比电容量在工作电流密度1 A/g和40 A/g时分别达1095 F/g和812 F/g，且经2000次循环后依然高达915 F/g。上述两种三维立体核壳纳米线阵列皆能在超高功率密度10 kW/kg工作条件下实现了50~80 Wh/kg能量密度的储存。该系列材料同时在锂电、异相催化、化学传感器领域具有良好的应用前景，为其他器件的应用和研制提供了重要参考。上述论文第一作者均为夏新辉博士，涂江平教授为通讯作者。
图1 自支撑Co3O4/NiO核壳纳米线阵列及超电容性能
图2三维立体Co3O4/Co(OH)2核壳纳米线阵列及超电容性能
以上研究工作得到了国家自然科学基金、中央直属高校科研基金、浙江省重点创新团队基金、浙江省电池新材料与应用技术研究重点实验室和浙江大学唐仲英传感材料研究与应用中心的支持。
