【新聞中心訊】近日，由我校環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院樊玉欠、黃葦葦、馬志鵬和郭文鋒等四位副教授組成的科研團隊在基于堿性體系儲能的陽極材料研究方面取得原創(chuàng)性突破，提出了一種基于Co2+/Co0氧化還原反應(yīng)的陽極儲能機理，很好地解決了目前陽極儲能的關(guān)鍵問題。該成果以燕山大學(xué)為第一單位，樊玉欠副教授為第一作者，郭文鋒副教授與武漢理工大學(xué)麥立強教授為通訊作者，以題目“Co(OH)2@Co electrode for efficient alkaline anode based on Co2+/Co0redox mechanism”（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.12.008）發(fā)表在國際知名期刊Energy Storage Materials（即時影響因子：13.1）上。
近年來，基于電極氧化還原反應(yīng)儲能的可充電電池（簡稱RBs）在社會生活的幾乎每個方面都起著重要作用（電動車和手機、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品的儲能器件、備用電源、以及用于存儲太陽能、風(fēng)能等可再生能源設(shè)備）。隨著社會對RBs儲能能力的要求越來越高，目前主要研究目標(biāo)是建立兼具有高功率密度、高能量密度、安全性高和循環(huán)穩(wěn)定性好等綜合性能的RBs系統(tǒng)。目前，雖然有鋰離子電池和鉛酸電池等一些商業(yè)產(chǎn)品被廣泛使用，但它們的性能仍然不能令人滿意，這主要歸因于它們的高倍率充放電能力不足以及相對短的循環(huán)壽命。特別是鋰離子電池的安全問題，由于Li基電極和所用電解質(zhì)過高的活性有可能引起燃燒甚至爆炸的嚴重事故。因此，從長遠來看，提出可以避免這些問題的新策略是一項迫切而有前景的課題。
基于堿性體系的儲能研究引起了人們的極大興趣，并且已經(jīng)取得了很大的進展，尤其是在對超級電容器材料的研究方面。前人的研究可以看出，一些過渡金屬（TM）材料（例如基于Co、Ni和Mn的產(chǎn)品）在堿性體系中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。大多數(shù)研究結(jié)果都充分顯示，與現(xiàn)有的鋰離子電池和鉛酸電池相比，這些用于堿性儲能的TM材料可以達到更高的倍率性能、更長的壽命和更好的安全性。因此，開發(fā)基于堿性體系的新型儲能材料或提出新儲能機制，對開發(fā)下一代RBs不無裨益。然而較為遺憾的是，目前熱點研究的TM產(chǎn)品，如Co-、Ni-、Mn-氧化物/氫氧化物/硫化物等，在堿性體系中具有相對較高的工作電位（> 0 V vs Ag / AgCl），因此它們只能用作陰極材料。相比之下，對于堿性體系下陽極材料（工作電位：<0V vs Ag / AgCl）的開發(fā)與研究顯得十分匱乏，相關(guān)的報道也十分稀少。目前，盡管一些諸如活性炭、石墨烯相關(guān)產(chǎn)品碳基材料和Fe-氧化物/氫氧化物、VN、MoO3等零星的TM產(chǎn)品作為陽極材料被報道出來，然而，與現(xiàn)有的陰極材料相比較，目前所報道的陽極材料無論在儲能容量還是高倍率性能方面，其性能仍然要差很多，陽極問題亟待解決。
本工作通過在泡沫Co（CoF）上原位制備片狀Co(OH)2陣列從而獲得一種Co(OH)2@ CoF電極。物理表征表明，原位制備的Co(OH)2薄膜是由獨立的六邊形片狀結(jié)構(gòu)組成，并證明了該電極在堿性體系中基于Co2+/ Co0的儲能機理。作為無需使用添加劑（Binder-free）的薄膜電極，Co(OH)2@ CoF電極達到了超高的面積容量（19.26-17.15 mAh cm-2，電流50-250 mA cm-2）以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性（1500次，100 mA cm-2）。組裝的單體電池能量密度可達到198.3-132.9 Wh m-2（對應(yīng)功率密度：539.5-2355 W m-2），表現(xiàn)出優(yōu)異的面能量密度和倍率性能。本工作得到了中國博士后科學(xué)基金資助項目（No.2015M581314），河北省年自然科學(xué)基金青年基金（No. B2015203350）和燕山大學(xué)研究基金（No. 14LGA016）的支持。（編輯/褚玉晶）
圖1. (a)在原位制備之前(1)和之后(2)的CoF電極的XRD圖; Co(OH)2薄膜產(chǎn)物的 (b)低倍率SEM圖像(插圖是活化前的裸CoF)和(c)高倍率SEM圖像；(d)片狀結(jié)構(gòu)的TEM圖像和HR-TEM圖像(插圖)；(e)- (h) 元素面分布圖，(i)Co(OH)2@CoF電極的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2. (a)-(c) Co(OH)2@CoF電極在充電和放電狀態(tài)下的近原位XRD結(jié)果：(a)XRD全譜圖; (b)和(c)為Co和Co(OH)2的主衍射峰上放大譜圖; (d)半充電態(tài)六邊形片局部HR-TEM圖像; (e)電極氧化還原機理示意
