镍/钴基材料因其高理论容量和天然丰度，作为水系碱性锌电池(AAZBs)的正极材料引起了广泛关注。然而，受限于活性位点不足和反应动力学迟缓等问题，这些材料普遍存在放电容量不理想和循环稳定性差的缺陷，严重制约了实际应用。本文提出了一种通过锚定镍钴2/钴4在MXene纳米片上构建异质结构（NCS/CS@MXene），并进行形貌优化。引入的MXene显著增加了复合材料的有效活性面积和电导率。因此，NCS/CS@MXene//Zn电池在2 mA cm-2电流密度下实现了1.01 mAh cm-2的高面积容量%%9，展现出2500次循环的优异稳定性（单圈容量衰减率仅为0.00416%）及接近100%的库伦效率%% %% 本研究提出了一种简单而有效的策略，通过构建异质结构并将其锚定在MXene纳米片（标记为NCS/CS@MXene）上，显著提升了NiCo2S4/NiCo2O4的电化学性能。具体而言，MXene纳米片作为导电骨架，不仅促进了高效的电子传输，还有效抑制了活性材料的团聚。同时，NiCo8异性恋结构促进了原子界面处的有利电荷重新分布，从而显著增强了OH−2 at 2 mA cm−2, excellent cycling stability of 2500 cycles with only 0.00416% of capacity degradation per cycle, and nearly 100% coulombic efficiency.
图文摘要
引言
碳中和目标的推进正加速对持久可持续但具有间歇性的可再生能源的采用，此类能源的有效整合与利用高度依赖于先进储能技术[[1], [2], [3], [4], [5]]。目前，以高能量密度和可靠循环性能著称的锂离子电池（LIBs）主导着储能市场[6,7]。然而，锂资源的稀缺性及易燃有机电解质引发的安全问题（包括火灾和爆炸风险），显著限制了锂离子电池的大规模应用[8,9]。作为替代方案，水系锌基电池凭借锌元素天然储量丰富、成本低廉、安全性高以及较低的氧化还原电位（−0.76 V vs. SHE）等优势，已成为补充锂基储能系统的潜在替代方案研究焦点。对比SHE）和合理的能量密度[10,11]。其中，水系碱性锌电池（AAZBs）因其高输出电压（超过1.7 V）和具有竞争力的能量密度[[12], [13], [14]]而受到越来越多的关注。多种正极材料如Ni(OH)2[15]、NiO[16]、Co3[17]和NiMoO4[18]已被广泛研究用于AAZBs，并取得了显著进展。然而，这些正极材料的实际容量仍显著低于锌阳极的理论容量（820 mAh g4或5855毫安时每平方厘米−1），凸显了开发具有更高容量的新型正极材料的迫切需求[19,20]。−3), highlighting the critical need to develop new cathode materials with higher capacity [19,20]. 近年来，过渡金属硫化物（TMSs），尤其是钴/镍基硫化物如Ni3[21]、Co2[22]、NiCo9[23]等，因其丰富的氧化还原化学性质、高理论容量及多样的结构可调性而受到广泛研究关注。例如，Hu等人[24]报道了一种用于镍锌电池的自支撑Ni8纳米片正极材料，其比容量达到68 mAh g2在5 A g条件下4随后，Li等人[25]制备了一种Co掺杂Ni3正极材料用于AAZBs，在1 A g2条件下实现了183.9 mAh g−1的更高比容量。%% 此外，Wang等人[26]设计了一种自支撑Co−1纳米颗粒嵌入碳纳米片/碳纳米纤维复合材料用于钠离子电池，获得了313 mAh g的容量3在2 A g时2最近，Liu等人[27]合成了一种在N、O共掺杂多孔碳上生长的纳米花状NiCo材料−1其比容量达到59 mAh g−1在0.5 A g条件下9同时展现出优异的循环稳定性，在3.0 A g条件下经过700次循环后容量保持率为94.4%8然而，水系锌电池中金属硫化物基正极面临的主要挑战在于：由于其固有的低电子电导率和可及活性位点数量有限，导致实际电化学性能远未达到理想水平，这些因素共同造成反应动力学迟缓和容量不足[[28], [29], [30]]。此外，活性材料在循环过程中的溶解和显著体积变化会引发机械性能衰退和电极粉化，从而导致容量快速衰减[[31], [32], [33]]。−1 at 2 A g−1. More recently, Liu et al. [27] synthesized a nanoflower-like NiCo2S4 grown on N, O co-doped porous carbon, showing a specific capacity of 59 mAh g−1 at 0.5 A g−1, along with remarkable cycling stability with 94.4% capacity retention after 700 cycles at 3.0 A g−1. However, the main challenge pertaining to metal sulfide-based cathodes for aqueous Zn batteries are that their practical electrochemical properties remain far from satisfactory owing to their inherently low electronic conductivity and limited number of accessible active sites, which collectively lead to sluggish reaction kinetics and insufficient capacity [[28], [29], [30]]. Additionally, the dissolution and considerable volume variation of active materials during cycling induce mechanical degradation and electrode pulverization, resulting in rapid capacity fading [[31], [32], [33]]. 在本研究中，我们提出了一种简单而有效的策略，通过构建异质结构并将其锚定在MXene纳米片上（标记为NCS/CS@MXene），以提升镍钴材料的电化学性能。具体而言，MXene纳米片作为导电支架，不仅促进了高效的电子传输，还抑制了活性材料的团聚。%% 与此同时，镍钴异质结构在原子界面处引发了有利的电荷重新分布，从而显著增强了OH吸附能力。2/钴4/钴9吸附能力和电活性位点可利用性的提升。因此，NCS/CS@MXene//Zn电池展现出1.01 mAh cm的优异容量8，展现出2500次循环的优异稳定性（单圈容量衰减率仅为0.00416%）及接近100%的库伦效率%% %% 本研究提出了一种简单而有效的策略，通过构建异质结构并将其锚定在MXene纳米片（标记为NCS/CS@MXene）上，显著提升了NiCo2S4/NiCo2O4的电化学性能。具体而言，MXene纳米片作为导电骨架，不仅促进了高效的电子传输，还有效抑制了活性材料的团聚。同时，NiCo2、卓越的倍率性能（在10 mA cm电流密度下仍保持0.6 mAh cm容量）4，以及2500次超长循环稳定性（单次循环容量衰减率仅为0.00416%）。这些电化学性能显著优于原始NiCo9），以及2500次超长循环能力，每次循环容量衰减仅为0.00416%。这些电化学性能优于原始NiCo8/钴−(NCS/CS)和大多数已报道的镍/钴基正极材料相比具有显著优势。本研究为设计高性能AAZBs正极材料提供了一种新策略。−2 at 2 mA cm−2, outstanding rate capability (0.6 mAh cm−2 at 10 mA cm−2), and ultralong cyclability of 2500 cycles with only 0.00416% capacity attenuation per cycle. These electrochemical performances are superior to that of the pristine NiCo2S4/Co9S8 (NCS/CS) and most reported nickel/cobalt-based cathodes. This study offers a new strategy for designing high-performance AAZBs cathode materials.
