近日，由我院樊玉欠副教授、黄苇苇副教授、马志鹏副教授和郭文锋副教授组成的科研团队在基于碱性体系储能的阳极材料研究方面取得原创性突破，提出了一种基于Co²⁺/Co⁰氧化还原反应的阳极储能机理，很好地解决了目前阳极储能的关键问题。该成果以燕山大学为第一单位，樊玉欠副教授为第一作者，郭文锋副教授与武汉理工大学麦立强教授为通讯作者，以题目“Co(OH)₂@Co electrode for efficient alkaline anode based on Co²⁺/Co⁰ redox mechanism” （https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.12.008）发表在国际知名期刊Energy Storage Materials （即时影响因子：13.1）上。

近年来，基于电极氧化还原反应储能的可充电电池（简称RBs）在社会生活的几乎每个方面都起着重要作用。例如，电动车和便携式电子产品（例如：手机，笔记本电脑）的储能器件、备用电源、以及用于存储可再生能源设备（例如：太阳能/风能）。随着社会对RBs储能能力的要求越来越高，目前主要研究目标是建立兼具有高功率密度，高能量密度，安全性好和循环稳定性好等综合性能的RBs系统。直到今天，虽然一些商业产品如锂离子电池和铅酸电池已被广泛使用，但它们的性能仍然不能令人满意，这主要归因于它们的高倍率充放电能力不足以及相对短的循环寿命。特别是锂离子电池的安全问题，由于Li基电极和所用电解质过高的活性有可能引起严重的事故，例如燃烧甚至爆炸。因此，从长远来看，提出可以避免这些问题的新策略是一项迫切而有前景的课题。

基于碱性体系的储能研究引起了人们的极大兴趣，并且已经取得了很大的进展，尤其是在对超级电容器材料的研究方面。从前人的报道中可以看出，一些过渡金属（TM）材料（例如基于Co，Ni和Mn的产品）在碱性体系中表现出优异的性能。大多数研究结果都充分显示：与现有的锂离子和/或铅酸电池相比，这些用于碱性储能的TM材料可以达到更高的倍率性能，更长的寿命和更好的安全性。因此，开发基于碱性体系的新型储能材料或提出新储能机制，对开发下一代RBs不无裨益。然而较为遗憾的是，目前热点研究的TM产品，如Co-，Ni-，Mn-氧化物/氢氧化物/硫化物等，在碱性体系中具有相对较高的工作电位（> 0 V vs Ag / AgCl），因此它们只能用作阴极材料。相比之下，对于碱性体系下阳极材料（工作电位：<0V vs Ag / AgCl）的开发与研究显得十分匮乏，相关的报道也十分稀少。据我们所知，尽管一些碳基材料（例如活性炭，石墨烯相关产品）和零星的TM产品（例如Fe-氧化物/氢氧化物，VN，MoO₃）作为阳极材料被报道出来，然而，与现有的阴极材料相比较，目前所报道的阳极材料无论在储能容量还是高倍率性能方面，其性能仍然要差很多，阳极问题亟待解决。

本工作通过在泡沫Co（CoF）上原位制备片状Co(OH)₂阵列从而获得一种Co(OH)₂@ CoF电极。物理表征表明，原位制备的Co(OH)₂薄膜是由独立的六边形片状结构组成，并证明了该电极在碱性体系中基于Co²⁺/ Co⁰的储能机理。作为无需使用添加剂（Binder-free）的薄膜电极，Co(OH)₂@ CoF电极达到了超高的面积容量（19.26-17.15 mAh cm^-2，电流50-250 mA cm^-2）以及良好的循环稳定性（1500次，100 mA cm^-2）。组装的单体电池能量密度可达到198.3-132.9 Wh m^-2（对应功率密度：539.5-2355 W m^-2），表现出优异的面能量密度和倍率性能。本工作得到了中国博士后科学基金资助项目（No.2015M581314），河北省年自然科学基金青年基金（No. B2015203350）和燕山大学研究基金（No. 14LGA016）的支持。

图1. (a)在原位制备之前(1)和之后(2)的CoF电极的XRD图; Co(OH)₂薄膜产物的 (b)低倍率SEM图像(插图是活化前的裸CoF)和(c)高倍率SEM图像；(d)片状结构的TEM图像和HR-TEM图像(插图)；(e)- (h) 元素面分布图，(i)Co(OH)₂@CoF电极的结构示意图。

图2. (a)-(c) Co(OH)₂@CoF电极在充电和放电状态下的近原位XRD结果：(a)XRD全谱图; (b)和(c)为Co和Co(OH)₂的主衍射峰上放大谱图; (d)半充电态六边形片局部HR-TEM图像; (e)电极氧化还原机理示意图。