原位共振拉曼光谱定量探究大容量氢氧化镍储能机制

几十年来,便携式电子设备和电动交通工具的快速发展极大地刺激了先进储能材料的研究。由于超级电容器具有快速充放电,大能量密度之特性,在储能产业有很广阔的应用前景。近几年,研究发现氢氧化镍(NiO2Hx, x=0-2)基材料有着大容量平台型的充放电行为,而且具有优异的倍率性能。然而,由于氢氧化镍具有复杂的层状结构,研究界对于其充放电过程的结构变化,储能机理的具体细节,和可能的氧化还原反应对其容量的贡献的相关基础研究极其缺乏。在氢氧化镍的层状结构中,部分氧原子与氢结合形成氢氧键,而层间也可容纳电解质阳离子储存电荷。定量的研究氢氧键和层间离子对储能的贡献以及这两种机制对于结构的影响是系统研究氢氧化镍储能机理的关键。

advs

美国Georgia Institute of Technology (佐治亚理工学院) Meilin Liu (刘美林)教授研究组使用原位共振拉曼光谱技术对这一课题进行了深入研究。原位光谱技术为研究材料充放电过程的结构变化提供了极大方便。同时,氢氧化镍的共振拉曼效应显著增强了拉曼信号强度,为明确地探测光谱演化保证了准确度和可靠性。研究证明,氢氧化镍拉曼模频率和强度与氢氧化镍储存的电荷量存在显著定量关联。通过研究拉曼光谱在碱性和中性电解质中的演化,氢氧键和层间离子对于氢氧化镍的储能贡献和对其结构的影响得到了定量的分析。拉曼模频率和强度的演化以及相关电化学行为系统地证明了氢氧键对氢氧化镍的储能起到了决定性作用,而层间离子的储能贡献以及对结构的影响相对较微弱。相关论文在线发表在Advanced Science,DOI: 10.1002/advs.201500433。该研究中使用的原位共振拉曼光谱技术可以系统地把材料的物理性质和材料的功能性直接联系起来,可以广泛被应用于材料科学的其他领域。