超细边缘分裂氧化铜纳米针电极助力高能量快速充电锂离子电容器发展

针对锂离子电容器(LIC)难以兼顾高能量/功率密度和长循环寿命的难题，研究人员通过协同双纳米结构策略开发了直接生长在铜箔集流体上的超细CuO纳米针阳极。该结构具有59.71 m2 g-1 高比表面积和1.5-8 nm多级孔隙，在0.2 A g-1 和5 A g-1 下分别实现973 mAh g-1 和663 mAh g-1 的优异倍率性能，与活性炭阴极组装的LIC器件在60C超快倍率下仍保持40%容量，为下一代储能系统提供新思路。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车(EV)的快速发展，对兼具高能量密度和高功率密度的电化学储能器件(EESD)需求日益迫切。传统锂离子电池(LIB)受限于阴极昂贵的钴、镍材料，成本居高不下；而超级电容器(SC)虽功率密度优异，但能量密度不足。锂离子电容器(LIC)作为两者的混合体，采用LIB阳极和SC阴极的组合结构，理论上能突破这一瓶颈。然而，现有LIC面临的核心矛盾在于：法拉第阳极的倍率性能远低于电容性阴极，成为制约快速充电的瓶颈。

针对这一挑战，研究人员创新性地开发了一种直接在铜箔集流体上生长的超细氧化铜(CuO)纳米针阳极。该研究通过两步纳米结构策略：首先通过置换反应自组装160 nm铜纳米柱，随后在氨水辅助下进行电氧化，使纳米柱边缘分裂形成30 nm超薄Cu(OH)₂
纳米针，最终经退火获得富含1.5-8 nm纳米孔的CuO结构。这种独特的制备方法不仅避免了传统浆料涂布工艺中导电添加剂和粘结剂对性能的负面影响，还创造了目前报道中最细的CuO纳米结构。

研究团队采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面积分析(BET)等技术表征材料形貌，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析化学组成，并系统评估了半电池和全电池的电化学性能。

【结果与发现】

1. 材料表征：氨水辅助电氧化成功将160 nm铜纳米柱转化为30 nm Cu(OH)₂
   纳米针，退火后形成具有59.71 m²
   g^-1
   高比表面积的CuO多孔结构，孔径主要分布在1.5-8 nm范围。

2. 电化学性能：半电池测试显示CuO-NH₃
   阳极具有显著改善的动力学特性，电荷转移电阻(R_CT
   )仅为113 Ω，锂离子扩散系数达4.07×10^-11
   cm²
   s^-1
   。在0.2-5 A g^-1
   电流密度下分别实现973.3-663.3 mAh g^-1
   的可逆容量，300次循环后容量保持率达85%。

3. 全电池表现：与活性炭阴极组装的LIC在2C倍率下展现110.1 Wh kg^-1
   的高能量密度，60C超快充电时仍保留40%容量，电压滞后显著低于传统CuO阳极。

【结论与意义】
该研究通过创新的两步纳米结构策略，首次实现了30 nm级超细CuO纳米针的直接集流体生长，解决了传统电极制备中界面电阻和活性物质利用率低的难题。相比文献报道的>200 nm CuO纳米结构，本研究获得的电极具有更优异的倍率性能和循环稳定性。特别值得注意的是，氨水辅助电氧化过程仅需300秒，比传统浸泡法缩短数十倍时间，展现出良好的工业化前景。这项发表于《Sustainable Materials and Technologies》的工作，为开发高性能LIC提供了新思路，其材料设计理念也可拓展至其他过渡金属氧化物(TMO)电极体系，对推动电动汽车和智能电网等领域的高效储能技术发展具有重要意义。