锌离子混合超级电容器新突破！广西大学李济恩课题组《Appl. Surf. Sci.》报道高负载羟基氧化钴镍提升锌离子储能性能

3 4 月, 2026
超电小编

【研究背景】

随着能源需求增长与环境压力加剧，安全、低成本的储能体系备受关注。传统锂电池虽能量密度高，但资源稀缺与安全隐患已难以满足未来需求。水系锌离子混合超级电容器（ZHSs）因安全性高、锌资源丰富而成为新兴方向。然而在高负载条件下，电极材料常面临离子/电子传输受限与结构稳定性不足的问题。

【文章简介】

广西大学李济恩教授团队在国际知名期刊Applied Surface Science上发表题为“High-mass-loading hierarchical CoNiOOH nanosheet arrays for high-energy and durable alkaline zinc-ion hybrid supercapacitors”的研究论文，该研究针对碱性锌离子混合超级电容器在高负载条件下存在的离子/电子传输受限、容量衰减严重等关键问题，提出了一种简便且可规模化的电化学转化策略。在活性碳布上原位构筑层状网络结构的CoNiOOH纳米片阵列微球，实现了高负载（13.3 mg cm-2）与优异的电化学性能兼顾。研究表明，该电极在10 mA cm-2电流密度下实现了16.9 F cm-2的高面电容同时，组装的CoNi‑OOH‑MSs//Zn器件能量密度达到 4.225 mWh cm-2，功率密度为 3.25 mW cm-2，并在20,000次循环后仍保持 81% 的容量，展现出卓越的循环稳定性，并兼具高能量与高功率特性。

【本文要点】

要点一：结构调控与表征

研究团队采用简单的水热与电化学转化结合策略，在碳布上原位生长 CoNiOOH 纳米片阵列微球。图1展示了合成流程，突出了层状网络结构在提升电极稳定性与传输性能中的作用。显微表征结果表明，所得纳米片均匀分布，结构致密且孔隙丰富，显著增加了比表面积和活性位点暴露。同时，材料保持了良好的结晶性和稳定性，避免了高负载下的结构坍塌。这些结构优化为后续实现高能量密度与长循环稳定性奠定了坚实基础。

图1. CoNiBTCNWs 和 CoNiOOH-MSs的制备示意图及形貌表征

图2. CoNi-BTC-NWs和CoNi-OOH-MSs的成分和结构分析

要点二：优异的电极性能

在2 M KOH电解液中测试时，CoNi-OOH-MSs电极展现出优异的电化学性能:面电容达到 16.9 F cm-2，远超前驱体样品。在高倍率下，器件依然保持快速的离子扩散与电子传输，充放电过程稳定可逆。这些结果表明，所提出的结构设计显著改善了电极的传输效率与稳定性，超级电容器中展现出高能量密度与功率密度。

图3. CoNiBTCNWs 和 CoNiOOH-MSs的电化学性能分析

要点三：AZHSs的储能性能

基于CoNiOOH-MSs电极，构建了碱性锌离子混合超级电容器（AZHSs），并系统评估了其实际应用表现。以CoNiOOH-MSs为正极、锌片为负极，器件展现出优异的电化学特性。CV 曲线在不同扫描速率下保持良好对称性，体现出快速可逆的电荷转移；GCD 曲线线性度高，倍率性能突出。Ragone 图显示，在功率密度 3.25 mW cm-2 时能量密度达到 4.225 mWh cm-2。此外，器件在 20,000 次循环后仍保持 81% 容量，凸显了其高能量储存与优异稳定性。

图4. CoNiBTCNWs//Zn的电化学性能分析

要点四：电荷储存机理与应用

通过非原位表征，研究揭示了CoNiBTCNWs//Zn的储能机理。电极在充放电过程中通过质子耦合电子转移（PCET）驱动的混合机制实现低价态与高价态的动态可逆转变，同时保持结构框架稳定，避免了大规模晶格重构或相变。该机制保证了高负载与高倍率条件下的稳定容量、快速动力学和优异的循环寿命。结合实验结果可知，CoNiOOH 在碱性电解液中的储能过程主要遵循赝电容机制，并伴随可逆离子嵌入贡献。键长与键角的微小调节进一步加速反应动力学，体现出结构保持与性能提升的协同作用。进一步地，团队还组装了柔性准固态 CoNiBTCNWs//Zn器件，采用PVA-KOH凝胶电解质，展现出良好的机械柔性与稳定性，可在不同弯曲状态下稳定驱动 LED，验证了其在柔性储能应用中的潜力。

图5. CoNiOOH-MSs//Zn的储存机理及应用

要点五：前瞻

本研究提出的高负载羟基氧化钴镍纳米片阵列策略，不仅解决了锌离子混合超级电容器在高负载下传输受限与结构稳定性不足的关键问题，也为层状电极材料的设计提供了通用思路。未来可通过优化制备工艺进一步降低成本，并探索器件的规模化组装技术，推动其在大规模储能与柔性电子设备中的应用。同时，结合柔性准固态器件的验证结果，该体系在可穿戴储能领域也展现出广阔前景。该研究为构建高能量密度、长寿命且可持续的水系储能体系提供了新的方向。

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