一步水热法合成红毛丹状钴掺杂α-Ni(OH)2及其高性能非对称超级电容器研究

为解决超级电容器能量密度低、Ni(OH)2导电性差等问题，山西师范大学团队通过一步水热法合成钴掺杂α-Ni(OH)2（α-Ni3-xCox(OH)2）。研究发现，当Ni/Co原子比为2.7:0.3时，材料在保持相同形貌和比表面积条件下，因结构缺陷增加和导电性提升，使非对称超级电容器（ASC）能量密度达43.1 Wh kg?1，循环10000次后容量保持率92%。该研究为金属掺杂调控电极材料性能提供了理论新视角。

　　

随着便携式电子设备对高能量密度储能器件的需求激增，超级电容器（Supercapacitor）因其功率密度高、循环寿命长等优势成为研究热点，但其能量密度（Energy density）远低于锂电池的短板制约了应用。传统镍基材料如α-Ni(OH)₂虽具有快速氧化还原能力，却受限于导电性差、结构稳定性不足等问题。以往研究多通过复合碳材料或改变材料形貌提升性能，但难以区分导电性增强与比表面积增加的协同效应。山西师范大学的研究团队在《Journal of Molecular Structure》发表论文，创新性地采用钴（Co）掺杂策略，通过精确调控α-Ni(OH)₂的电子结构，揭示了金属原子掺杂对电极材料性能的本质影响机制。

研究团队采用水热合成法（Hydrothermal method）制备了系列Co掺杂α-Ni(OH)₂（α-Ni_3-xCo_x(OH)₂），通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和电化学阻抗谱（EIS）等技术表征材料结构，并组装非对称超级电容器（Asymmetric supercapacitor, ASC）测试性能。

结构与形貌
XRD分析显示所有样品均保持α-Ni(OH)₂主相（PDF#38-0715），Co以掺杂形式存在未引起结构畸变。扫描电镜（SEM）观察到独特的红毛丹状形貌，比表面积（BET）和孔径分布在不同Co含量样品中高度一致，排除了形貌因素对性能的干扰。

电化学性能
当Ni/Co原子比为2.7:0.3时，α-Ni_2.7Co_0.3(OH)₂比电容显著优于未掺杂样品。Raman证实Co掺杂引入更多结构缺陷，EIS表明电荷转移电阻降低50%，证实电子导电性提升是性能改善的关键。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步揭示Co掺杂减少了水分子吸附，增强了结构稳定性。

器件应用
以α-Ni_2.7Co_0.3(OH)₂为正极、活性炭（AC）为负极组装的ASC，在400 W kg^?1功率密度下实现43.1 Wh kg^?1的能量密度，10000次循环后容量保持率92%，优于多数报道的镍基超级电容器。

该研究首次通过结构均一化模型证明Co掺杂可独立于形貌因素提升Ni(OH)₂性能，为设计高性能电极材料提供了新思路。团队提出的红毛丹状结构设计策略，兼具高比表面积优势与稳定电子传输通道，对开发新一代储能器件具有重要指导意义。