一步燃烧法合成核壳结构Ni@Co3O4微纳米电极实现无粘结剂超级电容器的长循环寿命

为解决传统金属氧化物电极制备工艺复杂、成本高的问题，研究人员开发了一种基于燃烧波（CW）的一步合成策略，直接在镍泡沫上原位生长微纳米结构Co3O4核壳电极。该电极展现出1548 F g?1的高比电容和14000次循环后100%的容量保持率，为高性能超级电容器提供了可规模化制备的解决方案。

　　

随着可再生能源和电动汽车的快速发展，高效储能设备的需求日益迫切。超级电容器（Supercapacitor）因其高功率密度和长循环寿命成为研究热点，但其能量密度较低限制了广泛应用。传统电极材料如RuO₂成本高昂，而Co₃O₄虽理论容量高（3560 F g^?1），却受限于导电性差和多步骤制备工艺。如何通过简易方法构建高性能电极成为关键挑战。

韩国国立研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，提出一种燃烧波（Combustion Wave, CW）驱动的一步合成法，直接在镍泡沫上制备核壳结构Ni@Co₃O₄电极。该方法仅需0.2秒即可完成Co₃O₄纳米壳层的原位生长，无需粘结剂或后处理。通过优化前驱体溶液和燃烧条件，电极展现出1548 F g^?1（1 mV s^?1）的超高比电容，并在14000次循环后容量无衰减。

关键技术方法
研究采用镍泡沫为基底，通过滴铸法依次涂覆钴硝酸盐前驱体和硝化纤维素燃料层，在300°C下点燃引发自蔓延燃烧波。利用高速红外热成像监测反应过程，结合扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征材料形貌与晶体结构。电化学测试通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）评估性能。

研究结果

1. 材料合成与表征：燃烧波在0.2秒内完成Co₃O₄纳米片的原位生长，形成多孔核壳结构，比表面积达187 m² g^?1。
2. 电化学性能：电极在1 mV s^?1下比电容达1548 F g^?1，远高于传统水热法制备的电极（700 F g^?1）。
3. 循环稳定性：14000次GCD循环后容量保持率接近100%，归因于Co₃O₄与镍泡沫的强界面结合力。
4. 机理分析：分级多孔结构促进离子扩散，燃烧反应的高温（>800°C）提升了材料结晶度，减少缺陷。

结论与意义
该研究通过CW合成实现了Co₃O₄电极的高效制备，解决了传统方法能耗高、步骤繁琐的问题。核壳结构设计兼具高导电性和活性物质利用率，为无粘结剂电极的工业化生产提供了新思路。未来可拓展至其他金属氧化物体系，推动高能量密度超级电容器的发展。