企业官网建设流程全解析

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-Fe3O4@C-15 负极和 H-NiCo2S4@C-40 正极，并组装 H-Fe3O4@C-15//H-NiCo2S4@C-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-NiCo2S4@C 正极与 H-Fe3O4@C 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 NiCo2S4@C 与 Fe3O4@C 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-Fe3O4@C-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-Fe3O4@C 负极的电化学与自放电性能

图 2 显示 H-Fe3O4@C-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 Ω；20 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-NiCo2S4@C-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-NiCo2S4@C 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-NiCo2S4@C-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 Ω，20 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-Fe3O4@C-15//H-NiCo2S4@C-40 全器件性能

图 5 证明正、负极匹配后可稳定工作至 1.5 V，CV 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-1；25000 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