添加剂调控NiCo2O4电极材料电化学特性的机制研究及其高性能储能应用

本研究通过化学氧化法合成不同添加剂（PVP、油胺、EDTA）修饰的NiCo2O4电极材料，发现EDTA辅助合成的NiCo2O4-E具有多孔结构和最高比电容（2254 F/g@1 mV/s），其组装的非对称固态超级电容器在10,000次循环后仍保持96%容量。该研究为高性能储能器件设计提供了新策略。

　　

能源存储领域近年来面临的关键挑战是如何平衡高能量密度与高功率密度需求。传统超级电容器（SCs）虽具有快速充放电优势，但其能量密度往往不足；而电池型电容器虽能提供更高能量密度，却常受限于循环寿命和功率输出。在这一背景下，具有双金属协同效应的尖晶石结构镍钴氧化物（NiCo₂O₄）因其丰富的氧化还原活性位点和较高理论容量成为研究热点，但其实际性能仍受制于材料形貌和界面特性的精准调控。

卡帕甘姆高等教育研究院物理系能源与环境中心的研究团队在《Next Energy》发表的最新研究中，通过添加剂工程策略成功优化了NiCo₂O₄电极的储能性能。研究人员采用化学氧化法，通过引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、油胺和乙二胺四乙酸（EDTA）等添加剂，制备出四种不同形貌的NiCo₂O₄材料（NiCo₂O₄-B/P/O/E），系统探究了添加剂对材料结构-性能关系的影响规律。研究发现EDTA辅助合成的NiCo₂O₄-E展现出最优异的电化学性能，其组装的固态非对称超级电容器器件在极端测试条件下仍保持出色稳定性，为下一代储能器件开发提供了重要参考。

研究主要采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，场发射扫描电镜（FESEM）观察形貌特征，三电极体系测试循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）性能，并通过Trasatti分析量化内外表面电荷贡献。全固态器件测试采用PVA/KOH凝胶电解质，以活性炭为负极构建非对称体系。

结构形貌分析

XRD证实所有样品均形成立方尖晶石结构，EDTA修饰的NiCo₂O₄-E具有最小晶粒尺寸（11.2 nm）。FESEM显示材料呈现六方形片状形貌，其中NiCo₂O₄-E表面具有更发达的多孔结构，这为其后续优异的电化学性能奠定基础。

电化学性能

CV测试显示所有材料均呈现典型电池型特征，NiCo₂O₄-E在1 mV/s扫描速率下获得最高比电容（2254 F/g），远超其他样品（NiCo₂O₄-B:1201 F/g）。GCD测试进一步证实其高比容量（700 C/g@1 A/g）。Trasatti分析揭示其93.3%电荷存储来自内表面，活性位点密度达9.76×10¹⁸，这些特性共同促成其卓越性能。

全固态器件表现

组装的NiCo₂O₄-E//AC非对称器件在0-1.5V电压窗口下运行稳定，经10,000次循环后容量保持率达96%，且库伦效率始终维持在96%以上。电化学阻抗谱（EIS）显示循环后电荷转移电阻（R_ct）从1.243Ω降至0.525Ω，证实界面动力学得到持续优化。

该研究通过精准调控NiCo₂O₄电极材料的纳米结构与界面特性，成功实现了储能性能的突破。特别值得注意的是，EDTA的引入不仅创造了丰富的介孔结构，还显著提升了材料的本征电导率和活性位点密度。研究揭示的内表面主导电荷存储机制（>93%）为后续材料设计提供了明确方向，而开发的固态器件在极端条件下展现的循环稳定性（10,000次）更凸显其实际应用价值。这些发现不仅深化了对过渡金属氧化物储能机制的理解，也为发展高能量密度、长寿命的下一代储能系统提供了切实可行的材料解决方案。