碳量子点+硫代钴酸镍: 高性能碱性水系电池正极材料

以商业化的Super P为原材料，采用混酸强化学氧化法回流合成路径制备得到石墨化的CQDs，其产率超过50%。所制备的CQDs尺寸较为均匀，直径为5-8纳米，且其表面含有丰富的含氧官能团，因而表现出好的水溶性。这些丰富的含氧官能团使得CQDs是尤其适合用于构建复合材料的。

II N, S-CQDs/NiCo₂S₄的形貌和微结构表征

如图2(a-e)所示，所制备的N, S-CQDs/NiCo₂S₄复合材料在场发射扫描和透射电镜下呈现出海胆状纳米杆组装的微米球形貌，尺寸大约为3微米左右。从图2(f)中可以看到，细小的CQDs很好地修饰到微米球的纳米杆上。而且，这种复合结构的形成进一步被图2(g)的EDS谱图和图2(h)的元素映射谱图所证实。从图2(h)中可以看到，CQDs被均匀地分散到海胆状纳米杆组装的微米球。CQDs的引入，不仅可以提高复合材料的比表面积，从而获得更多的活性位点而增强电荷储存，而且能够改善复合材料的导电性，有利于加快电子的传输而增强电化学动力学。

图2 N, S-CQDs/NiCo₂S₄复合材料的(a-c)FESEM图像, (d,e)TEM图像, (f)HRTEM图像, (g)EDS谱图, (h)元素映射谱图。

III NiCo₂S₄和N, S-CQDs/NiCo₂S₄的电化学性能表征

如图3所示，相比纯的NiCo₂S₄，N, S-CQDs/NiCo₂S₄复合材料的比容量、倍率性能和循环稳定性均得到明显的改善。该复合材料在2 A/g电流密度下的比容量可达124.4 mAh/g，即使在50 A/g高的电流密度下比容量仍然保持在96.1 mAh/g，而且复合材料经过5000次循环后其初始容量保持率可达97.9 %。这增强的电化学性能主要是源自于具有电容特性的高导电性的N, S-CQDs与法拉第特性的高容量的NiCo2S4之间的协同效应。

图3 NiCo₂S₄和N，S-CQDs/NiCo₂S₄电极(a)在20 mV/s下的CV曲线比较, (b)(c)在不同扫速下的CV曲线。(d)N, S-CQDs/NiCo₂S₄电极在不同电位下的非原位XRD谱图。NiCo₂S₄和N，S-CQDs/NiCo₂S₄电极的(e)log(扫描速率，mV/s)-log(ip，A)、(f)i/ν1/2–ν1/2的拟合线，(g)电荷贡献。(h)(i)在不同电流密度下的GCD曲线, (j)倍率性能, (k)循环性能, (l)EIS图。

IV N, S-CQDs/NiCo₂S₄//N-rGO/Fe₂O₃碱性水系电池的电化学性能表征

以上述所制备的N，S-CQDs/NiCo₂S₄为正极，N-rGO/Fe₂O₃为负极，2 M KOH为电解液，构建了一种新型纽扣式碱性水系电池。如图8所示，该器件表现出较高的比能量、高的比功率和优异的循环稳定性，在485 W/kg的比功率下比能量可达50.2 Wh/kg，即使在9.7 kW/kg的超高比功率下比能量仍保持在16.1 Wh/kg，在3 A/g电流密度下5000次循环后的初始容量保持率可达91.5 %。

图4 N, S-CQDs/NiCo₂S₄//N-rGO/Fe₂O₃碱性水系电池的(a)CV曲线, (b)GCD曲线, (c)Ragone曲线和(d)循环性能曲线。