近日，集美大学海洋装备与机械工程学院 “异构擎能” 创新创业团队牵头的 “电荷调控型 Ni3S2/PNG-10 异构电极设计” 项目取得阶段性核心进展。该项目依托表面电荷调控的创新合成策略，通过两步水热法成功制备出具有三维巢状分级异质结构的 Ni₃S₂/PNG 复合电极材料，在大幅提升超级电容器比容量与倍率性能的同时，有效破解了传统硫化镍电极充放电过程中结构易坍塌、循环稳定性差的行业共性痛点。相关研究成果为高性能超级电容器电极材料的设计与制备开辟了全新技术路径，也为我国新能源储能产业的高质量发展提供了新的技术支撑。
储能产业加速扩容 电极材料成性能升级核心瓶颈
在 “双碳” 战略的持续推进下，我国风电、光伏等可再生能源装机规模持续攀升，绿色能源已成为电力系统的重要组成部分。但受气候条件影响，风能、太阳能等可再生能源发电具有显著的间歇性、波动性特征，大规模并网对电网的调峰能力与稳定运行提出了更高要求，高效储能技术的突破已成为新能源产业发展的核心刚需。
在众多储能技术路线中，超级电容器凭借功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽、环境友好等突出优势，在新能源电站调频、轨道交通制动能量回收、港口起重机械节能、消费电子应急电源、工业自动化等诸多领域展现出广阔的应用前景。尤其是在需要短时间大功率输出、频繁充放电的应用场景中，超级电容器的技术优势远优于传统化学电池。
电极材料是决定超级电容器储能性能的核心部件，其成分、结构与形貌直接影响器件的比容量、倍率性能与循环寿命。近年来，过渡金属硫化物因丰富的氧化还原反应活性、较高的理论比容量，成为赝电容型电极材料的研究热点。其中，硫化镍（Ni₃S₂）因具有较宽的工作电位窗口、多样的价态变化，被视为极具潜力的电极材料。但在实际应用中，纯相 Ni₃S₂存在本征导电性偏弱、充放电过程中体积形变明显、活性物质易团聚脱落等问题，长期循环后易出现结构坍塌，导致容量快速衰减，难以同时满足高比容量与长循环寿命的应用需求。
为改善硫化镍电极的综合性能，行业内普遍采用与碳材料复合的改性方案，但传统复合工艺普遍存在界面结合力弱、活性物质生长无序、结构可控性差等问题，电荷传输效率与离子扩散能力的提升幅度有限。如何通过精准的结构设计与界面调控，实现硫化镍与碳基材料的高效复合，同时构建稳定的三维分级结构，成为当前超级电容器电极材料研发的关键攻坚方向。
创新表面电荷调控策略 精准构建三维巢状异质结构
针对行业现存的技术痛点，集美大学 “异构擎能” 项目团队在李桂芳、陶明明两位指导教师的带领下，创新提出了 “表面电荷诱导自组装” 的合成思路，通过氮、磷共掺杂调控石墨烯表面电荷分布，引导硫化镍定向生长为三维巢状分级结构，从材料本征特性与微观结构两个维度同步实现性能突破。
项目团队采用两步水热法完成复合电极的制备：第一步，以磷酸二氢铵为氮源与磷源，通过水热反应在泡沫镍集流体上负载氮、磷共掺杂石墨烯（PNG）。与传统还原氧化石墨烯（RGO）相比，氮、磷两种杂原子的引入能够精准调控石墨烯纳米片的表面电荷分布，在石墨烯表面形成大量带电活性位点，为金属离子的吸附与锚定提供充足的结合位点；同时，杂原子掺杂还能进一步提升石墨烯的导电性与电化学活性。
第二步，将负载有 PNG 的泡沫镍浸入含有硝酸镍与硫脲的前驱体溶液中，再次进行水热反应。在反应过程中，PNG 表面的带电位点通过静电相互作用，主动吸附溶液中的镍离子，引导硫化镍晶核在石墨烯表面定向成核、均匀生长，并最终自组装为由纳米线相互交织形成的三维巢状结构。与纯相 Ni₃S₂的棒状团聚结构、Ni₃S₂/RGO 的无序纳米棒结构相比，这种巢状分级结构具有多重结构优势：一是交织的纳米线提供了极为丰富的氧化还原反应活性位点，能够充分发挥硫化镍的赝电容特性；二是巢状结构内部的孔隙通道可作为电解质离子的传输与缓冲空间，大幅缩短离子扩散路径，提升大电流充放电下的反应动力学；三是 PNG 基底与 Ni₃S₂纳米线之间形成了紧密的异质界面，强电子相互作用既能够加速电荷传输，又可以有效缓冲充放电过程中的体积形变，避免活性物质脱落，显著提升循环稳定性。
多维度实验验证 综合性能达同类材料先进水平
为全面验证复合电极材料的结构特征与电化学性能，项目团队依托集美大学相关科研平台，通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，结合三电极体系与非对称器件测试，对材料进行了系统的性能测评。
结构表征结果显示，制备的 Ni₃S₂/PNG-10 复合材料具有纯净的六方相 Ni₃S₂晶型，无明显杂峰；微观形貌上，Ni₃S₂纳米线均匀交织形成典型的巢状结构，完整附着在 PNG 纳米片表面，未出现大面积团聚现象。高分辨透射电镜图像可清晰观测到 Ni₃S₂与石墨烯的特征晶格条纹，证实二者形成了结合紧密的异质结构；元素映射结果显示，碳、氮、磷元素均匀分布在石墨烯基底，镍、硫元素集中分布于巢状结构区域，进一步验证了材料的精准合成。
电化学性能测试数据显示，在三电极测试体系与 6 M KOH 电解液中，Ni₃S₂/PNG-10 电极在 1 A・g⁻¹ 的电流密度下比容量可达 1117 C・g⁻¹，远高于纯 Ni₃S₂电极与 Ni₃S₂/RGO 复合电极；在倍率性能方面，当电流密度提升至 10 A・g⁻¹ 时，电极比容量仍可保持 910 C・g⁻¹，容量保持率达 81.5%，即使在 15 A・g⁻¹ 的大电流工况下，容量保持率仍可达 71.1%，展现出优异的大电流充放电能力。电化学阻抗谱测试表明，该电极具有更小的电荷转移电阻与更低的离子扩散阻力，验证了巢状结构与异质界面对电荷传输的促进作用。
循环稳定性测试结果显示，在 30 A・g⁻¹ 的大电流密度下经过 10000 次充放电循环后，Ni₃S₂/PNG-10 电极的比容量仍可保持初始值的 92.6%；循环后的形貌与晶相表征显示，电极的巢状结构与晶型均未发生明显破坏，证实了该结构优异的结构稳定性。
在此基础上，项目团队以 Ni₃S₂/PNG-10 为正极、PNG 为负极，组装了非对称超级电容器器件。该器件可稳定工作在 1.6 V 的电压窗口下，在 158 W・kg⁻¹ 的功率密度下，最高能量密度可达 62 Wh・kg⁻¹，显著优于多数已报道的硫化镍基非对称超级电容器器件。在 7.5 A・g⁻¹ 电流密度下经过 10000 次循环，器件仍保持良好的容量保持率。实际应用演示实验显示，两个串联的非对称器件可成功点亮多颗 LED 灯泡，并能维持长时间供电，展现出良好的实用化潜力。
高校科创聚力攻坚 成果转化前景广阔
据了解，“电荷调控型 Ni₃S₂/PNG-10 异构电极设计” 项目已入选集美大学大学生创新创业训练计划创新训练项目，团队成员覆盖大一至大三多个年级，形成了梯度合理、能力互补的科创队伍。项目负责人林正宇拥有丰富的科创竞赛与科研实践经验，曾获中国机器人大赛三等奖、全国大学生电子设计竞赛省级一等奖、大学生节能减排竞赛校级一等奖等多项荣誉，已申请多项实用新型专利与外观设计专利。
项目的顺利推进离不开坚实的平台与师资支撑。指导教师李桂芳、陶明明长期从事纳米材料可控合成、表面电荷调控及电化学储能领域研究，主持多项国家自然科学基金、福建省自然科学基金与厦门市青年创新项目，具备扎实的理论功底与丰富的科研经验。研究工作依托福建省能源清洁利用与发展重点实验室、厦门市海洋腐蚀与智能防护材料重点实验室开展，实验室配备了完备的材料合成、结构表征与电化学测试设备，为项目研究提供了全流程的硬件保障。
从产业应用来看，河北省作为我国重要的工业基地与新能源产业发展高地，风电、光伏装机规模位居全国前列，同时轨道交通、装备制造、钢铁化工等产业对高效储能技术的需求十分迫切。该项目研发的高性能复合电极材料，可广泛应用于新能源电站调频储能、工业节能、轨道交通能量回收、分布式储能等场景，能够为河北省新能源产业延链补链、工业领域节能降碳提供重要的材料技术支撑，助力京津冀区域绿色低碳转型。
项目团队表示，当前研究已完成核心材料的制备工艺优化与性能验证，后续将重点围绕界面电荷传输机理开展深入研究，结合原位表征与理论计算进一步揭示储能机制；同时持续优化器件制备工艺，探索材料规模化制备的技术路线，积极对接储能领域相关企业，推动科研成果向产业应用转化。该项目不仅为过渡金属硫化物基电极材料的结构设计提供了新的理论思路与技术方案，也为高校大学生科创团队围绕国家战略需求开展技术攻关提供了实践样本。（作者：林正宇）
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