ZnO包覆增强Ni掺杂CoP纳米线阵列用于高性能混合超级电容器的设计与性能研究

为解决CoP在超级电容器中反应动力学缓慢和体积变化大的问题，研究人员通过Ni掺杂和ZnO原子层沉积(ALD)包覆策略，构建了垂直生长于活性碳布(CC)的Ni-CoP@ZnO-6纳米线阵列电极。该电极在1 A g?1 下展现877 C g?1 的高比容量，循环稳定性提升15.29%，组装的混合超级电容器(HSC)能量密度达25.7 Wh kg?1 。研究为过渡金属磷化物(TMPs)电极设计提供了新思路。

　　

超级电容器（SCs）作为新能源时代的“能量缓冲器”，其低能量密度和电极材料结构稳定性问题长期制约着实际应用。钴磷化物（CoP）虽具有高理论容量，但充放电过程中的体积膨胀和缓慢反应动力学导致其性能急剧衰减。如何通过材料设计同时解决导电性和结构稳定性难题，成为领域内亟待突破的“卡脖子”问题。

西安理工大学等单位的研究团队在《Next Energy》发表创新成果，提出“缺陷工程+表面包覆”协同策略。研究人员首先通过溶剂热法在活性碳布（CC）上原位生长镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）纳米线阵列，经磷化处理获得镍掺杂CoP（Ni-CoP），再采用原子层沉积（ALD）技术精准包覆氧化锌（ZnO）纳米层，最终构建出分级结构的Ni-CoP@ZnO-6纳米线阵列电极。关键技术包括：1）溶剂热法可控合成NiCo-LDH前驱体；2）气相磷化实现Ni原子梯度掺杂；3）ALD技术实现ZnO纳米级厚度精确调控；4）采用三电极体系测试电化学性能。

3.1 结构分析
XRD显示Ni-CoP的衍射峰向高角度偏移（31.69°→36.36°），证实Ni原子成功掺入CoP晶格引起晶格收缩。HRTEM观察到0.186 nm的晶面间距（标准CoP为0.189 nm），SAED图谱呈现多晶衍射环，EDS证实Ni/Co/P元素均匀分布。ALD包覆后，Ni-CoP@ZnO-6的HRTEM显示6 nm厚ZnO层（晶面间距0.246 nm）紧密包覆在Ni-CoP表面，XPS检测到Zn 2p_3/2
（1020.94 eV）和Zn-O键（529.5 eV），证实ZnO成功修饰。

3.2 电极电化学性能
Ni-CoP@ZnO-6在1 A g^?1
下比容量达877 C g^?1
，较未掺杂CoP提升63.8%。EIS测试显示其等效串联电阻（R_s
）仅0.50 Ω，归因于Ni掺杂优化电子重分布和ZnO缓冲层协同作用。动力学分析表明，ZnO包覆使扩散控制贡献占比提升至67%（扫描速率500 mV s^?1
），而b值（0.85-0.90）证实电容行为占主导。10,000次循环后容量保持率52.85%，SEM显示ZnO层有效抑制纳米线粉化脱落。

3.3 混合器件性能
组装的Ni-CoP@ZnO-6//AC HSC在1.6 V电压窗口下，能量密度达25.7 Wh kg^?1
（459.3 W kg^?1
），优于文献报道的Cu-CoP//AC（31.5 Wh kg^?1
）等体系。串联器件可点亮LED 20分钟，驱动计时器工作90分钟，CV曲线在3.2 V下仍保持稳定形状。

该研究开创性地将ALD纳米包覆技术与过渡金属磷化物缺陷工程相结合：Ni掺杂通过降低d带中心（d-band center）提升电子迁移率，ZnO包覆层则通过抑制体积应变（volume strain）和提供额外赝电容实现“双功能协同”。这种“核-壳”结构设计理念为开发高能量密度、长寿命储能器件提供了普适性策略，其采用的碳布基底和低温ALD工艺更具备工业化推广潜力。未来通过调控ZnO厚度与Ni掺杂浓度的构效关系，有望进一步突破TMPs基超级电容器的性能极限。