兼具高能量密度和高功率密度氢氧化钴的储能反应机制

　　随着大量小型化、可移动电子设备的使用，目前人们关注的焦点之一是研发具备高能量密度和高功率密度的储能器件，而实现高能量密度和高功率密度目标的首要任务是揭示在原子或分子层面如何控制电极材料储能、避免失效的动态过程机制。吉林大学材料科学与工程学院的郑伟涛教授课题组利用原位X射线精细结构谱对氢氧化钴的储能机制进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2017年5月8日的《Nature Communications》上。 

　　该课题组制备了同时兼具高能量密度和高功率密度的氢氧化钴薄膜电极，且电化学和力学性能十分稳定，经过15000次充放电循环后比电容仅下降了8%。这种电极材料为未来超级电容器和电池的融合提供了良好的契机。而深刻地理解氢氧化钴的充电机制则是混合储能器件发展的关键。氢氧化钴属于六方结构，普遍认为氢氧化钴具有高性能的原因是其片层结构利于电解液离子的迁移。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B线站的XAFS技术对氢氧化钴的充放电机制进行了原位研究，在原子尺度上获取了氢氧化钴在能源转化过程中的结构变化以及反应原理，探究了氢氧化钴具备高性能的原因。利用原位X射线精细结构光谱、先进电子显微分析和理论计算，张伟教授、邓霆博士等精确解析了电极材料局域结构中原子的动态演变，发现高电化学性能源于充放电氢氧化钴两相具有的结构相似性和模拟电池中离子嵌入/脱出具有的储能机制。 

　　“他们制备出了具有优异性能的氢氧化钴电极，并对这种电极的反应机制进行了深入的探究，为我们揭示了氢氧化钴具备高性能的起源”，“锂电池之父”德克萨斯大学奥斯汀分校的Goodenough教授在2017年7月13日在《Chem》上发表的文章给予这个工作很高的评价。（DOI：10.1016/j.chempr.2017.06.008）。2018年5月该工作荣获2017年度"中国电子科技十大进展"奖。 

　　这个研究为锂电池高能量密度和超级电容器高功率密度的融合提供了科学的线索。在这样研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组进行了原位实验，解开了该电极材料具有高性能的原因。吉林大学材料学院低维材料课题组郑伟涛教授这样描述他们的工作：“利用北京同步辐射光源，我们在充放电过程中表征了氢氧化钴的结构变化，对于其储能机制的研究取得了突破，然而对于其他材料在原子尺度上的储能机制我们还知之甚少，因此仍需要我们对其他材料进行深入的探究。借助北京同步辐射装置必定会有助于我们探究材料的储能机制，为制备出高性能的混合储能器件提供帮助。 

　　发表文章： 

　　Ting Deng, Wei Zhang*, Oier Arcelus, Jin-Gyu Kim, Javier Carrasco, Seung Jo Yoo, Weitao Zheng*, Jiafu Wang, Hongwei Tian, Hengbin Zhang, Xiaoqiang Cui, Teófilo Rojo, Atomic-level energy storage mechanism of cobalt hydroxide electrode for pseudocapacitors. Nature Communications, 8(2017), 15194.