相對于傳統(tǒng)的雙電層超級電容器（EDLCs）和可再充鋰子電池（LIBs），由電容電極和電池型法拉第電極組成的雜化超級電容器（Hybrid supercapacitors, HSCs）能實現(xiàn)更高的能量密度和功率密度，這主要是由電池型電極更高的容量和電極對更寬的電壓窗口引起的。因此，HSCs的研究引起了人們廣泛關(guān)注。作為一種在堿性電解液中很有希望的超級電容器電極材料，氫氧化鎳（Ni(OH)2）由于相變通常表現(xiàn)出一對明顯分開的法拉第氧化還原峰，所以它在過去幾十年里被廣泛地報道為一種超級電容器的贗電容材料。近來研究表明Ni(OH)2在堿性介質(zhì)中能表現(xiàn)出電池類型行為，因而可以認(rèn)為是一種電池型材料。然而，Ni(OH)2通常具有不可逆的相變，大的體積變化和低的電子電導(dǎo)率，導(dǎo)致耐久性差和有限的倍率等缺點，嚴(yán)重限制了它在HSCs方面的應(yīng)用。

 

　　許多工作一直在致力于解決上述問題。為了提高Ni(OH)2電極的電子導(dǎo)電性，已報道了引入電子導(dǎo)電的第二相或者直接在導(dǎo)電基底上生長Ni(OH)2的方法。為了進(jìn)一步提高Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能，研究者們還開發(fā)了材料結(jié)構(gòu)納米化以及原子替代或摻雜等方法。相比于結(jié)構(gòu)納米化或者石墨烯復(fù)合法，原子替換或者摻雜是目前提高Ni(OH)2電極最有效的方法，但是具體的性能提高機制仍然不清楚。相應(yīng)地，對HSCs的Ni(OH)2電極的合理設(shè)計或優(yōu)化仍然缺乏科學(xué)依據(jù)。此外，將上述幾種方法結(jié)合起來預(yù)計會使Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能有更大的提高，但是如何實現(xiàn)這種改進(jìn)仍然是一個挑戰(zhàn)。

 

　　近日，美國佐治亞理工大學(xué)劉美林教授(通訊作者)團隊基于之前原位拉曼研究Ni(OH)2儲能機理的結(jié)果，與廈門大學(xué)張橋保助理教授(通訊作者)合作，首先通過密度泛函理論（DFT）計算，系統(tǒng)地研究了金屬鈷和錳（Co、Mn）分別摻雜以及共摻雜Ni(OH)2的影響，指出Mn摻雜主要是提高了Ni(OH)2電極的容量，而Co摻雜主要是提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了驗證理論計算的結(jié)果，他們通過一步化學(xué)浴合成法獲得了一系列還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合摻雜Co、Mn的Ni(OH)2納米晶體電極材料。實驗結(jié)果表明：基于Ni-Co-Mn-OH/rGO復(fù)合電極和PPD/rGO電極的HSCs在功率密度分別為1.68和18.5 kW·kg-1（放電時間為9.7 s）時的能量密度分別為74.7和49.9 W·kg-1，顯示出了超快的儲能能力。其能量密度比傳統(tǒng)的EDLCs要高得多，而且功率密度比傳統(tǒng)的LIBs也要高得多。與近期報道的高性能HSCs相比，氫氧化物/rGO復(fù)合電極和PPD/rGO電極的HSCs表現(xiàn)出了相當(dāng)優(yōu)越的重量能量/功率密度。同時，其還具有相當(dāng)高的循環(huán)容量和長循環(huán)壽命：在20 A g-1下能保持10,000次循環(huán)的長循環(huán)壽命。

 

　　該研究成功地將幾類優(yōu)化Ni(OH)2電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了有機結(jié)合，通過DFT預(yù)測和實驗驗證相結(jié)合，揭示了Ni(OH)2上有利的陽離子取代的起源，為過渡金屬化合物儲能材料的理性設(shè)計提供了新的思路和重要的見解。