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兼顾高功率和高能量密度的锂离子混合电容器:增强近表面电化学反应

快速发展的电动汽车等领域对储能器件提出了同时满足高功率和高能量密度的需要。目前高能量密度的锂离子电池和高功率密度超级电容器只能满足单一需求。锂离子混合电容器结合了锂离子电池和电容器二者的优点,可望很好填补电池与电容器之间的技术空白。然而其两端电极的储能机理是不同的,锂离子电池型负极提供了大比电容的基础,而电容器型正极则保证了快速充放电能力。已有锂离子混合电容器中多采用嵌入式负极(如Li4Ti5O12)和活性炭正极。但这种电极材料组合由于两端不同储能机理带来的动力学不平衡极大地阻碍了其高功率表现。

南开大学材料科学与工程学院周震教授课题组针对这一关键性问题,同时对混合电容器的两端电极进行材料设计,制备了由超薄二维亚结构组装的三维多孔电极材料,将两电极中的电化学反应很好地控制在材料的表面/近表面区域,从而有效地增强了表面电荷存储。该体系的负极采用MnO纳米颗粒均匀分散于石墨烯纳米片的复合材料,正极采用由二维含氮纳米碳片组成的三维多级孔结构的材料。正负极均由超微和超薄的基本单元组成,有效地增强了表面电荷存储,克服了体相扩散控制,从而减小了二者的动力学性能差异。同时,正极碳材料中大量异质元素的引入提供了更多赝电容反应,使放电比电容可达活性炭的两倍。该电容器充电电压可达4.0 V,能够在8秒内快速充电之后工作,在保持了大功率特征的前提下,获得了接近锂离子电池水平的高能量密度。相关论文在线发表在Adv. Energy Mater.

通过低维纳米化将电化学反应控制在材料表面/近表面区域,增强表面电荷储存,可有效克服电极反应动力学控制,从而保证大功率下的电化学性能。该研究工作为兼顾高功率和高能量密度的储能体系提供了一个行之有效的解决方案。

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