在碱性电解液中原位形成纳米晶Ni(OH)2解释了Ni3S2/NF电极优异的电容和循环稳定性

这对未来能量存储意味着什么

太阳能电池板和风力发电机的价值取决于我们在日落或风停时储存电能的能力。本研究探讨了一条有前景的路线，旨在制造更好的超级电容器——这类器件能够在数秒内充电，同时可经受数万次循环。研究人员表明，一种直接生长在多孔金属海绵上的镍基材料，在使用过程中会悄然转变为一种更有效储能且极为稳定的结构。

构建“储能海绵”

团队以镍泡沫为起点，这是一种重量轻且内部表面积巨大的金属海绵。通过一简便的一步加热与溶液处理工艺，他们将泡沫的表层转化为一层硫化镍（主要为Ni3S2）。该层以薄而多孔的片状形式形成，并牢固附着在金属上，构成无需粘结剂或额外支撑的自支撑电极。泡沫的大面积和良好的电接触使电荷能够快速迁移，这是快速充电型超级电容器的关键要求。

自我重塑的表面

当这些新电极首次在浓碱性电解液中测试时，其行为并非静止不变。在最初几十次充放电扫速中，电储能容量反而是上升的。同时，光散射和X射线测量表明表层的原始硫化物正在发生化学改变。硫缓慢从外层逸出，镍与电解液中的氧、氢结合，形成一层薄薄的氢氧化镍及相关的镍—氧化合物皮层。在这一早期阶段，内部的硫化物结构大体保持完好，但发生电化学反应的表面层已经开始被改写。

从简单涂层到智能夹层

随着更多的充放电循环，演变更加明显。经过数万次循环后，可以检测到微小的氢氧化镍晶体的清晰特征，其尺寸仅为数纳米。这些晶体形成了一种新的多层结构：纳米晶氢氧化镍壳覆盖在原始硫化镍之上，所有这些都锚定在镍泡沫框架上。尽管电极的总体几何表面积实际上减小了，但其储能能力仍保持很高，甚至在容量衰减后通过改变电压扫描方式可以被恢复。这表明现在的大部分能量存储来自氢氧化物层中的化学反应，而不是单纯依赖表面积。

自我优化的活性层

研究发现，在活化过程中将电极施加到略高电压会促使氢氧化镍层重组为一种更开放、含水量更高的形态。这种重排相使电解液中的离子在充放电时更易进出，从而提升了有效容量。与此同时，底层的硫化镍和泡沫充当稳固的电导骨架和机械缓冲体，在外层“呼吸”时负责传导电子并吸收应变。综合起来，这种自生的“壳-核”结构在超过3万次循环后仍维持约四分之三的容量，并可作为工作混合型超级电容器的正极，在器件级测试中经过2.2万次循环后仍保持超过80%的容量。

对实际器件的意义

对于非专业读者来说，关键信息是：这些镍基电极优异性能并非仅由起始材料决定，而是在工作过程中产生的。硫化镍表面在碱性电解液中自然转化为一种纳米级的氢氧化镍外皮，该外皮在反复储能方面表现尤为出色，而原始的硫化物和金属泡沫则保持良好的连接性和稳定性。识别并利用这种内在的转变为制造寿命长、容量高的超级电容器提供了务实的方案，也暗示许多其它金属硫化物电极可能具有类似的自我改进行为，可在未来的能量存储系统设计中加以开发。

引用: Abdullin, K.A., Gabdullin, M.T., Gritsenko, L.V. et al. In situ formation of nanocrystalline Ni(OH)₂ in alkaline electrolyte explains superior capacitance and cycling stability of Ni₃S₂/NF electrodes. Sci Rep 16, 12209 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42576-y

关键词: 超级电容器, 镍泡沫, 硫化镍, 氢氧化镍, 能量存储