1. 背景非对称超级电容器ASC通过匹配正、负极不同电位窗口有望在保持高功率输出的同时提升能量密度然而赝电容材料虽然容量高却常受限于反应动力学迟缓、循环结构衰退和严重自放电。碳壳封装被认为是解决这一矛盾的有效策略碳层既可提升电子传输和界面稳定性又能保护活性核心并调控电解液离子吸附。但传统热处理难以兼顾碳层厚度、石墨化程度和核心材料稳定性如何可控制备“薄、导电、稳定”的碳壳成为关键问题。2. 论文概要2026年6月18日江苏师范大学李笑笑、林雨潇、赵新生团队在Advanced Science期刊发表题为“Controllable Carbon Shell Encapsulation via Rapid Joule Heating Calcination for High-Performance Asymmetric Supercapacitor With Suppressed Self-Discharge and Robust Cycling Stability”的研究论文。该研究提出“电沉积聚合物前驱体 低温退火 快速焦耳热煅烧”的可控碳壳封装策略在碳布CF上分别构筑 H-Fe3O4C-15 负极和 H-NiCo2S4C-40 正极并组装 H-Fe3O4C-15//H-NiCo2S4C-40 水系ASC。器件在 749 W kg-1 下达到 105.6 Wh kg-1 的最高能量密度在 20 A g-1 下循环 25000 次后容量保持率为 93.7%开路电压从 1.48 V 衰减至 0.75 V 需要 31102 s。DFT 计算表明碳壳与 K/OH- 之间更高的吸附能和电荷转移能力是抑制自放电的重要来源。3. 图文解读示意图 1. H-NiCo2S4C 正极与 H-Fe3O4C 负极的制备流程示意图 1 展示了整体材料设计先在碳布上原位生长 NiCo2S4 纳米线和 Fe3O4 纳米棒再经电沉积聚合物前驱体和低温退火得到初始碳包覆结构随后分别对 NiCo2S4C 与 Fe3O4C 进行 4 s 和 5 s 的快速焦耳热高温冲击。由于温度和时间可通过电源电流调节这一步相当于用极短热历史提升碳层局域石墨化程度同时降低长时煅烧带来的核壳界面副反应风险最终获得兼具高容量核心、导电碳壳和自支撑集流体的一体化电极。图 1. Fe3O4 负极的碳壳结构、物相与表面化学图 1 证明 H-Fe3O4C-15 成功形成约 6 nm 短程有序碳壳且 Fe3O4 核心物相未被快速焦耳热破坏。Raman 中 ID/IG 为 0.96说明碳壳兼具无序碳与局域石墨化结构XPS 显示碳含量增加、N 掺杂进入碳层、氧缺陷比例降低表明碳壳表面更洁净且具备更好的导电和界面调控能力。图 2. H-Fe3O4C 负极的电化学与自放电性能图 2 显示 H-Fe3O4C-15 是最佳负极其在 1 A g-1 下比电容达 493 F g-1约为纯 Fe3O4 的 3 倍内阻降至 0.82 Ω界面电阻为 0.68 Ω20 A g-1 循环 20000 次后保持 99.8%。自放电测试中其开路电位从 -1.0 V 衰减至 -0.5 V 需 9055 s为纯 Fe3O4 的 4.5 倍说明碳壳显著增强 K 界面吸附稳定性。图 3. NiCo2S4 正极的碳壳结构、物相与界面化学图 3 表明 H-NiCo2S4C-40 保持 NiCo2S4 纳米线形貌和物相同时形成短程有序碳壳。XPS 中 Ni2/Ni3 与 Co2/Co3 比例升高说明碳壳参与界面还原S 2p 中新出现 C-S-C 峰且 S-O 峰消失意味着更稳定的核壳界面和更少表面副反应位点有利于电子传输和开路状态下抑制离子脱附。图 4. H-NiCo2S4C 正极的电化学与自放电性能图 4 给出正极性能优化结果H-NiCo2S4C-40 在 1 A g-1 下比电容达到 1501 F g-1明显高于纯 NiCo2S4 的 1028 F g-1内阻和界面电阻分别降至 0.76 Ω 和 0.44 Ω20 A g-1 下仍保留 84% 初始电容。自放电方面电位从 0.5 V 衰减至 0.25 V 需约 41993 s稳态漏电流仅 95 μA说明碳壳同样增强了 OH- 界面结合并降低副反应。图 5. H-Fe3O4C-15//H-NiCo2S4C-40 全器件性能图 5 证明正、负极匹配后可稳定工作至 1.5 VCV 峰位随扫描速率变化较小、GCD 曲线接近对称说明全器件反应动力学快且可逆性好。该 ASC 在 1 A g-1 下比电容为 338 F g-1在 749 W kg-1 下能量密度达 105.6 Wh kg-1即使功率密度升至 14.9 kW kg-1 仍有 46.9 Wh kg-125000 次循环后保持 93.7%远优于未包覆 Fe3O4//NiCo2S4 器件。图 6. 全器件自放电行为与 DFT 吸附机理图 6 揭示了自放电抑制机制碳壳封装 ASC 的稳态漏电流为 76 μA显著低于未包覆器件的 370 μA开路电压从 1.48 V 衰减到 0.75 V 需 31102 s而未包覆器件从 1.34 V 到 0.75 V 仅需 1607 s。DFT 进一步显示无定形碳对 K 和 OH- 的吸附能分别为 -3.335 eV 和 -6.136 eV明显强于 Fe3O4 与 NiCo2S4 表面说明碳壳通过“强结合界面 较少副反应”稳定吸附离子并延缓电压衰减。4. 总结展望这项工作把快速焦耳热煅烧用于碳壳封装质量调控实现了碳壳厚度、局域石墨化、核壳界面和离子吸附行为的协同优化从而同时提升 ASC 的能量密度、循环寿命和抗自放电能力。其价值不仅在于获得 105.6 Wh kg-1、25000 次循环保持 93.7% 等器件指标更在于提出了一种可迁移的界面工程范式用快速热冲击构筑稳定碳壳将赝电容材料的高容量优势与碳材料的导电、保护和离子吸附优势结合。未来若能进一步验证大面积电极一致性、柔性/准固态体系适配性以及长期浮充工况下的自放电稳定性该策略有望拓展至更多金属氧化物、硫化物和氮化物赝电容体系。参考论文Qiang Zhou, Zheng Yang, Zhen Cao, Xulan Zheng, Xiao Yan, Yunsong Li, Xinsheng Zhao, Yuxiao Lin, Xiaoxiao Li. Controllable Carbon Shell Encapsulation via Rapid Joule Heating Calcination for High-Performance Asymmetric Supercapacitor With Suppressed Self-Discharge and Robust Cycling Stability.Advanced Materials, 2026. DIO: https://doi.org/10.1002/advs.76184
