使用原位拉曼光谱和时域分布电容分析方法，研究了NiO-AC复合材料在有机电解质中的充电性能和能量储存特性

《Next Energy》：Charge and energy storage properties of NiO-AC composites in organic electrolyte using operando Raman and distributed capacitance analyses in the time domain

本研究通过简便的热处理方法合成NiO-AC复合材料，并系统研究其在有机电解质中的电化学性能。结果表明，该材料在1.0 M NaClO4/EC:DMC（1:1 v/v）电解质中展现出2.6 V的宽工作电压窗口，电容值达23.7 kW kg?1，能量密度21.4 Wh kg?1。原位拉曼光谱证实NiO的伪电容特性及Na+在有机介质中的动态吸附过程，XPS和SEM表征显示NiO均匀负载于AC表面。该工作为有机电解质体系下的高能密度超级电容器设计提供了新思路。

　　在当今能源技术飞速发展的背景下，电化学储能系统（如超级电容器和电池）在多个领域发挥着重要作用。随着对高性能储能材料需求的增加，研究者们正在探索能够实现高能量密度和高功率密度的新型材料。传统超级电容器主要依赖于电双层电容（EDLC），这种电容形式虽然具有高功率密度的优势，但其能量密度相对较低。而赝电容器则通过表面氧化还原反应或法拉第反应来提高能量存储能力，因此在追求高能量密度的储能系统中，赝电容器材料展现出巨大的潜力。然而，赝电容器材料在有机电解质中的研究仍较为有限，这限制了其在实际应用中的发展。本文通过合成一种赝电容器复合材料NiO-活性炭（AC），探讨其在有机电解质中的性能表现，旨在为下一代高性能超级电容器的发展提供新的思路。

本文的核心在于开发一种简便且可扩展的合成方法，用于制备NiO-AC复合材料。这种材料结合了活性炭的高比表面积和镍氧化物的赝电容特性，从而有望提升超级电容器的能量密度。同时，本文通过一系列电化学表征手段，包括循环伏安法（CV）、单步电化学计时安培法（SSC）、电化学阻抗谱（EIS）以及恒电流充放电测试（GCD），全面评估了NiO-AC材料在有机电解质中的电化学行为。此外，利用原位拉曼光谱技术，研究了在充放电过程中离子动态的变化，进一步揭示了赝电容反应的机制。这些研究不仅有助于理解赝电容器材料的电化学行为，也为开发具有更高能量密度的超级电容器提供了理论支持和技术基础。

活性炭因其高比表面积和优异的导电性，被广泛应用于超级电容器的电极材料。然而，其赝电容贡献有限，主要依赖于电双层电容的形成。相比之下，过渡金属氧化物如NiO具有更高的理论比电容，但其导电性较差，限制了其在实际应用中的表现。因此，将NiO与活性炭复合，有望在提升比电容的同时保持良好的导电性，从而实现高性能的超级电容器。本文中，NiO-AC复合材料的合成过程通过热处理实现，使用了技术等级的活性炭和硝酸镍盐作为前驱体，经过充分的混合和热处理，形成了具有良好结构的复合材料。

在电化学性能方面，NiO-AC复合材料表现出显著的比电容和能量密度。具体而言，其比功率为23.7 kW·kg?1，比能量为21.4 W·h·kg?1。这些数值表明，NiO-AC材料在有机电解质中具有良好的电化学稳定性，并且其赝电容贡献明显。通过CV测试，我们发现NiO-AC材料在2.6 V的电压范围内保持了稳定的电化学行为，这说明其工作电压窗口（WVW）较大，有利于提高能量密度。在EIS分析中，我们观察到在低频区域的阻抗特性符合理想电容器的预期，表明材料在有机电解质中具有良好的电化学性能。而通过SSC测试，我们验证了在2.6 V电压下，材料的电荷存储过程不会引发电解液的分解，进一步证明了其在有机电解质中的稳定性。

在原位拉曼光谱研究中，我们发现随着电压的升高，NiO-AC复合材料中与电解液相关的特征峰（如715 cm?1和895 cm?1）的强度变化反映了离子在电极-电解液界面的动态行为。特别是在3 V的高电压下，拉曼光谱未显示出电解液分解的迹象，这表明材料在有机电解质中的稳定性良好。此外，通过对不同电压下的拉曼光谱进行分析，我们发现Na?离子的溶剂化程度随着电压的增加而提高，这可能与电解液中溶剂分子的吸附和解吸过程有关。这些结果进一步支持了NiO-AC材料在有机电解质中具有较高的能量存储能力。

在材料结构方面，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，我们确认了NiO-AC复合材料的微观结构特征。SEM图像显示，活性炭表面被NiO颗粒覆盖，而XRD图谱则表明，NiO以立方晶体结构存在。这些结构特征为材料的赝电容行为提供了物理基础，同时也表明，NiO的引入并未显著改变活性炭的原有结构，保持了其高比表面积和多孔结构，这对电荷存储至关重要。

通过比表面和孔径分布分析，我们发现NiO-AC复合材料的比表面积为472.6 m2·g?1，接近原始活性炭的比表面积（498.7 m2·g?1）。这一结果表明，NiO的引入并未显著降低活性炭的比表面积，从而保留了其作为电双层电容贡献的能力。同时，孔径分布分析显示，NiO-AC材料主要由2–10 nm的介孔和10–20 nm的中孔组成，这有助于离子的快速传输，提高电荷存储效率。

从实验结果来看，NiO-AC复合材料在有机电解质中表现出优异的电化学性能，这得益于其良好的结构稳定性和赝电容贡献。尽管NiO本身的导电性较低，但活性炭的引入有效提升了材料的整体导电性，使得复合材料在高功率密度下仍能保持较高的能量密度。此外，材料在长时间循环测试中表现出良好的循环稳定性，其容量保持率高达90.4%。这表明，NiO-AC复合材料不仅具有较高的比电容，还具备良好的电化学可逆性和长期稳定性，为开发高性能超级电容器提供了新的材料选择。

在离子动态研究方面，通过原位拉曼光谱技术，我们观察到在充放电过程中，Na?离子的溶剂化行为对电荷存储过程产生了重要影响。拉曼光谱显示，随着电压的升高，溶剂分子的吸附和解吸行为发生变化，这可能与赝电容反应的进行有关。同时，通过分析不同电压下的拉曼光谱，我们发现材料的化学结构在充放电过程中保持稳定，没有出现明显的结构变化，这进一步支持了其赝电容行为的可逆性。

综上所述，本文通过合成和表征NiO-AC复合材料，探讨了其在有机电解质中的电化学性能。研究结果表明，该材料不仅具有较高的比电容和能量密度，还表现出良好的循环稳定性和电化学可逆性。这些特性使其成为开发下一代高性能超级电容器的理想候选材料。同时，通过原位拉曼光谱技术，我们揭示了材料在充放电过程中离子动态的变化，为理解赝电容反应机制提供了新的视角。未来，随着对有机电解质中赝电容器材料研究的深入，有望开发出更多具有高能量密度和高功率密度的超级电容器，从而满足日益增长的高性能储能需求。