过渡金属硫氧化物因其多电子氧化还原活性和可调控的纳米结构，已成为先进能源存储领域的有力候选材料。其中Co-Ni-O-S复合材料因具有高能量存储密度，在超级电容器领域尤为引人注目，然而传统合成方法往往需要长时间的加工（>10小时）或高温处理（>80℃），限制了其实际应用。
2025年5月2日，上海电力大学林佳、罗晓婧团队在Advanced Materials期刊发表题为“One-Step Synthesis of Co-Ni-O-S Nanohybrid with Amorphous-Nanocrystalline Interwoven Architecture for High-Energy-Density Supercapacitor-Battery Hybrids”的研究论文，团队成员李星宇为论文第一作者，罗晓婧、林佳为论文共同通讯作者。
该研究通过开发一种快速交流电（AC）电沉积法（1小时），在常温常压下制备出非晶–纳米晶交织的Co-Ni-O-S纳米杂化纳米片阵列，有效克服了上述难题。这种独特的结构结合了非晶相（增强离子扩散路径）与纳米晶域（高效电荷传输）的优势，展现出卓越的比电容性能：在1 A g⁻¹电流密度下达到4804 F g⁻¹（或959 mAh g⁻¹，2402 C g⁻¹），5000次循环后（5 A g⁻¹）仍保持82.2%的电容，且库仑效率（CE）接近100%。组装成的非对称超级电容器在754 W kg⁻¹功率密度下实现了199.4 Wh kg⁻¹的能量密度，缩小了电池与传统电容器之间的性能差距。
该研究通过简单的交流电电沉积法，在泡沫镍基底上合成了兼具无定形与晶态交织结构的过渡金属氧化物与硫化物复合材料（Co-Ni-O-S）。该材料展现出卓越的电容性能，在1 A g⁻¹的电流密度下，比电容高达4804 F g⁻¹（相当于959 mAh g⁻¹），并具备优异的循环稳定性，在5 A g⁻¹电流密度下经过5000次循环后，仍能保持82.2%的电容保持率。这种容量几乎为传统Co-Ni-S或Co-Ni-O化合物的两倍，凸显了其在能量存储领域的优越性能。该一步合成策略有效避免了多步骤工艺、高温条件以及高能耗过程的需求。尤为值得一提的是，这种环境友好型方法仅需两电极配置，并在常温环境下进行1小时的电沉积处理，极大简化了操作复杂性，同时确保了工艺的可扩展性。
图1. Co-Ni-O-S纳米复合材料的合成过程示意图。a) 空心镍泡沫。b) 双电极交流电沉积系统。c) 所得产物的形态示意图。
图2. a-d) 在不同放大倍数下，镍泡沫上合成纳米片阵列的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。e) 纳米片阵列中Co、Ni、O和S元素的能量色散光谱（EDS）映射图像。f-i) 分别从镍泡沫上刮下的纳米片的透射电子显微镜（TEM）图像、选区电子衍射（SAED）图案、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像以及X射线衍射（XRD）图案。
图3. a) AC-STEM图像以及b-g) 通过EDS映射获得的相应元素分布图。
图4. a) 不同扫描速率下的循环伏安曲线，b) 不同电流密度下的恒电流充放电曲线，c) 不同电流强度下的比电容，d) 电流密度为5 A g−1时的循环性能及库仑效率，e) 阻抗谱图，以及f) 三电极测试系统中Co-Ni-O-S纳米复合电极的扩散与电容贡献对比。
图5. a) Co-Ni-O-S纳米复合电极与活性炭电极在10 mV s−1扫描速率下的循环伏安曲线，b) 不同电位下ACS器件在10 mV s−1的循环伏安曲线，c) 不同扫描速率下的循环伏安曲线，d) 恒电流充放电曲线，e) 不同电流密度下的比电容，以及f) Co-Ni-O-S纳米复合材料//ASC器件与其他ACS器件的Ragone图。
图6. 在不同电压下生长的样品的选区电子衍射（SAED）及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像：a、d、g) 6 V，b、e、h) 10 V，以及c、f、i) 14 V。橙色圆圈标注了可能存在原子空位的无序区域，而橙色矩形则标示了同时缺失原子及错位的强应变晶格区域。
图7. 交流电沉积过程中非晶与晶态结构交织生长的示意图。
图8. a-c) 在不同交流电压下生长的样品的电化学性能、d) X射线衍射图谱、e-h) X射线光电子能谱图以及i) 拉曼光谱。
图9. 经氧气氛退火处理后，6V、10V及14V样品的电化学性能。
综上所述，该研究采用了一种极为简单的策略，成功合成了具有卓越超级电容电池型能量存储性能的Co-Ni-O-S复合纳米片阵列。该方法仅需一步工艺，无需高温、高压、大气辅助或复杂的化学试剂。在最佳幅值交流电压下生长的非晶–纳米晶交织结构，是实现优异超级电容电池型能量存储行为的关键因素。非晶相可能提供了一个疏松且柔性的框架，有利于离子扩散，并通过富含缺陷的活性界面增强化学反应性。交流生长电压的选择对材料微观结构和性能具有决定性影响：适中的电压范围（如10 V）能形成精细的相域，其中晶态与非晶态区域均不超过5 nm，引入优化的缺陷浓度以提升电化学性能。此外，嵌入非晶基质中的纳米晶域通过提供成核锚点和应变消散路径，有效缓解了非晶材料中固有的结构不稳定性。相反，晶态相中的非晶夹杂物则促进了晶格掺杂，通过缺陷介导的路径降低了电荷转移电阻（Rct）和氧化还原动力学。尽管电极表现出扩散控制的电池型存储行为，但非晶相赋予的优化离子扩散效率使得电极材料展现出优异的库伦效率、高循环稳定性、高功率密度和高能量存储密度。然而，较低的生长电压会导致较粗的相分离（>5 nm的晶态或非晶域），削弱两相间的协同作用；而过高的电压则促进过度非晶化，反而降低了关键缺陷浓度，限制了性能提升。该平衡对于电池及电催化剂应用至关重要。研究人员设计此类结构的方法，为开发高性能超级电容电池材料用于先进储能设备提供了一种极具前景的策略。