超级电容器作为连接高能量密度电池与高功率密度传统电容器的桥梁，凭借其快速充放电能力、优异的比电容、卓越的功率密度及超长的循环寿命，在电动汽车、备用电源，尤其是可穿戴电子设备领域展现出广阔的应用前景。但要实现高能量密度与柔性稳定性的兼顾，仍需突破传统电极材料的性能瓶颈。电极材料的形貌特征对其电化学性能具有重要影响，通过合理的纳米结构设计可以有效增加其可利用活性表面积，从而提高其电化学活性。然而，随着纳米颗粒尺寸的减小可能会导致充放电过程中的颗粒团聚现象，导致比表面积降低。此外，相邻纳米颗粒之间的相互作用较弱，也会增加电子传输的电阻。

针对上述科学问题，数理学院博士研究生田也在刘昊教授和廖立兵教授指导下，以立方晶系结构天然钴镍黄铁矿为设计灵感，采用两步水热法构建了一种钴镍黄铁矿结构的多级(Co, Ni, Zn)₉S₈纳米材料，并用作柔性固态超级电容器的正极材料，展现出优异的综合性能。本研究主要结论如下：

1.       通过调节金属原料配比，设计出纳米粒子-纳米针-六边形纳米片的分级结构，形成类“针织网络”的多孔框架。有效平衡了材料的结构稳定性、离子扩散效率和活性位点暴露率，验证了分级结构在提升储能性能方面的重要作用。

2.       通过Co、Ni、Zn三种金属协同作用，为氧化还原反应过程提供多种活性中心，各金属组分的最佳平衡实现了电极材料中氧化态的合理分布。DFT计算验证了(Co, Ni, Zn)₉S₈中多种金属的协同作用，结果表明Co和Ni比Zn表现出更强的OH^-吸附能力，从而增强了材料的电化学活性。

3.       研究了成分调控和形貌控制对储能性能的影响，通过二者的调控实现了电极电化学特性优化。优化配比后的样品(Co, Ni, Zn)₉S₈-3在1 A g^-1的电流密度下展现出1664 F g^-1 (231 mAh g^-1)的优异比电容，并在20 A g^-1高电流密度下保持了83.6%的比电容，并且在15 A g^-1的电流密度下经过10,000次充放电循环后的容量保持率为94.0%，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。

4.       基于(Co, Ni, Zn)₉S₈的全固态非对称超级电容器在1500 W kg^-1功率密度下达到66.7 Wh kg^-1的能量密度，且在不同弯折角度下保持稳定性能。串联和并联器件的组装实验进一步证明了其在满足高电压和大电流输出需求方面的潜力。

这项研究通过纳米结构设计和多金属组分调控相结合的策略，提出了一种可兼顾高性能、柔性和稳定性的电极材料设计新思路，为高性能超级电容器电极材料的开发提供了理论依据和技术路径，特别是在可穿戴设备与柔性储能系统领域，该材料展现出广阔的应用前景。

图1 (Co, Ni, Zn)？S？合成路线示意图

图2 (a-c) CNZS-3的SEM图像，(d) CNZS-3 纳米片的元素EDS映射图，(e-i) CNZS-3的TEM图像，(j) CNZS-3的HR-TEM图像

图3（a）CNZS-3中（311）面的侧视晶体结构模型，(b) CNZS-3中(3 1 1)面的态密度(DOS)，(c) CNZS-3 中不同位置的吸附能，(d-f) CNZS-3中Co、Ni、Zn位点吸附的OH-示意图

图4 （a）制备的CNZS//AC FSAS 器件示意图，（b）在三电极体系下CNZS和AC电极的对比CV 曲线，（c）FSAS 器件在不同操作窗口下的CV曲线，（d）FSAS器件在不同扫描速率下的CV曲线,（e）不同电流密度下FSAS器件的GCD曲线，（f）比容量随电流密度变化的研究，（g） FSAS 器件的Ragone图，（h）循环性能

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Ye Tian, Ning Liu, Qian Xue, Hao Liu, Xueqiang Qi, Andreu Cabot, Libing Liao. Hierarchical cobalt-pentlandite (Co,Ni,Zn)₉S₈ nanostructures: advanced electrodes for flexible solid-state supercapacitors, Journal of Materials Chemistry A, 2025. [IF2024= 9.5]

全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta01973g