南理工夏晖&翟腾AFM：氧缺陷型同质界面构筑——容量倍率“一把抓”的高效赝电容策略

研究背景

超级电容器（SCs）具有可快速充放电、循环寿命长、安全性高等优点，在混合动力汽车、可再生能源收集系统以及便携式电子产品等领域中具有非常广阔的应用前景。然而，基于双电层电容的SCs能量密度较低，限制了其进一步发展。近年来，通过在材料表面或近表面发生氧化还原反应进行储能的赝电容材料得到大力发展，有望将SCs的能量密度提高到接近电池水平。然而，大多数赝电容材料（如MnO₂、SnO₂、Fe₂O₃等）受限于较缓慢的电极动力学，导致电极实际可被利用的稳定快速的电荷存储位点较少（主要集中在电极-电解液界面位置），对SCs的能量密度提升有限。因此，对于赝电容电容器而言，在电极-电解液界面以外增加可快速响应的稳定电荷储存位点，进而在高倍率情况下获得高容量仍是巨大挑战。

成果简介

近期，南京理工大学纳米能源材料（NEM）课题组夏晖教授团队设计合成出了具有分级结构的缺陷型二氧化锡纳米材料：SnO_2-x纳米颗粒（NPs）@ SnO_2-x纳米片（NSs）。有趣的是，相较于传统分级结构，该结构具有丰富的含氧缺陷的同质界面，该界面具有对锂离子稳定的存储位点，同时兼具快速的电荷转移动力学，从而使SnO_2-x NPs@SnO_2-x NSs电极兼具高容量和高倍率性能。密度泛函理论（DFT）计算表明，SnO₂的同质界面位置相较于近表面更有利于氧缺陷的形成；与此同时，氧缺陷的存在使同质界面更有利于电解液中Li⁺嵌入，产生稳定的可供Li⁺快速嵌入脱出的存储位点。此SnO_2-x NPs@SnO_2-x NSs电极在2.5 A g^-1的电流密度下有382.7 F g^-1的高比电容，并且在80 A g^-1的大电流密度下仍具有87%的容量保持。相关成果以“Oxygen-deficient Homo-Interface towards Exciting Boost of Pseudocapacitance”为题，发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上，南京理工大学的硕士研究生刘波与博士研究生孙硕为文章的共同第一作者，夏晖教授与翟腾副教授为共同通讯作者。

研究亮点

1. 设计合成出分级的缺陷型SnO₂纳米结构，该结构具有丰富的氧缺陷型同质界面。

2. 富含氧缺陷的同质界面有利于Li⁺快速扩散及稳定存储。

3. 得益于独特的氧缺陷型同质界面，该SnO_2-x NPs@SnO_2-x NSs材料在高倍率下仍具有高容量。

图文导读

如图1a所示，SnO_2-x NPs@SnO_2-x NSs的合成分为3步，首先通过水热法合成SnO₂三维纳米片阵列，随后通过低浓度长时间的二次水热在纳米片上生长出均匀的SnO₂纳米颗粒，得到SnO₂ NPs@SnO₂ NSs。最后将SnO₂ NPs@SnO₂ NSs在氩气气氛下高温还原处理得到SnO_2-x NPs@SnO_2-x NSs。SEM及TEM表征说明了SnO_2-x NPs在SnO_2-x NSs上均匀分布，且颗粒直径约为5-8 nm（图1b-c）。后续的HAADF-STEM表明在SnO_2-x NSs的（002）面与SnO_2-x NPs的（111）面之间形成了同质界面（图1d-g），并且通过ABF-STEM可以发现同质界面位置存在更多的氧缺陷。