ChemSusChem：电化学结构重组提升CoFe LDH材料储铵特性和构建高能量密度铵离子混合电容器

北方民族大学汪德伟副教授课题组通过电化学沉积CoFe LDH材料为研究模型，通过电化学结构重组策略实现结构缺陷的可控调节，显著提升了其在低浓度硫酸铵电解液中的储铵特性，并进一步探讨了结构缺陷与铵离子存储之间的构效关系，为水系储铵材料的设计和高能量密度铵离子混合电容器（A-HSC）构建提供了新的思路。

随着能源需求的不断增长，开发高安全性水系电化学储能器件备受关注。不同于传统金属离子载流子，铵根离子作为非金属离子，具有高安全性、低摩尔质量、离子半径小、离子电导率高、价格低廉等特点，在水系电化学储能中表现出独具特色的优势。然而，目前铵离子做为电荷载流子的相关研究通常局限于电池，开发高能量密度A-HSC仍具有挑战性。高效储铵电极是A-HSC的关键技术材料，为了实现其高能量密度和快速充放电的需求，发展兼具高比容量、宽工作电压和结构稳定性等诸多优势的新型储铵电极是A-HSC研究的核心科学问题之一。其核心和关键在于如何获得大量铵离子存储活性位点以及理解其内在电化学机制。为此，作者通过恒电流法电沉积CoFe LDH材料，在电化学重组过程中原始形貌能得到很好的维持，钴和铁元素的平均价态升高，同时产生大量结构缺陷。结合非原位实验表征，作者揭示了结构重组后暴露的层板上端基氧可以和铵离子形成氢键从而做为铵离子存储的活性中心，这不仅获得了较高铵离子存储的可逆容量，而且促进了铵离子的快速扩散。理论计算表明，电化学结构重组不仅有效降低了铵离子的吸附能垒而且提高了费米能级附近的态密度从而提高铵离子存储和扩散动力学。在0.5 M (NH₄)₂SO₄电解质中，在0.5 A g^-1的电流密度下放电比容量为167.9 mAh g^-1，库仑效率高达96.7%。当高电流密度增加到20 A g^-1，其容量保持率为44%，在5 A g^-1循环10000次后容量保持在91%左右。当与多孔碳负极组装得到的A-HSC，工作电压可达2V，在功率密度为500 W kg^-1时可以获得66.2Wh kg^-1的能量密度。

这项工作为理解层状双氢氧化物结构缺陷和储铵特性之间的相关性提供了直接证据，对促进该类材料构建水系铵离子混合电容器提供了新的策略。

论文信息

Structural Reconstruction Strategy Enables CoFe LDHs for High-Capacity NH₄⁺ Storage and Application in High-Energy Density Ammonium-Ion Hybrid Supercapacitors

Dr. Dewei Wang, Jiaqi Sun, Long Chen

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202300207