一种新型高比能、大功率对称钠离子赝电容器

在过去的30年中,锂离子电池作为化学电源得到了充分发展,特别是电动汽车用锂离子电池。汽车在驾驶过程中,尤其在城市中,会经常刹车、加速,这使得内燃机的效率大幅降低。 为了提高燃油的使用效率,混合动力汽车应运而生。 这种车型要求其化学电源可以快速充放电,理想状态下能够在几秒的时间内实现充放电,目前这个目标仍然存在较大的挑战,同时,这种化学电源需要经过上万次的循环, 然而目前的锂离子电池很难达到要求。超级电容器具有高功率(快速充放电)特性,但是其能量密度较低。为了提高能量密度,赝电容器具有很大的潜力。另一方面,由于锂资源储量有限,其价格不断飙升,要求我们开发新的替代品。俄勒冈州立大学简泽浪博士、纪秀磊教授和中科院物理所胡勇胜研究员等针对这些问题,成功设计出一款具有高比能、赝电容大功率的具有对称结构的钠离子赝电容器。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201502433)上。

一种新型高比能、大功率对称钠离子赝电容器

目前锂(钠)离子赝电容器的研究仍主要集中在半电池层面,很多新材料不能适应全电池的要求,对电极也往往采用多孔碳电极或者碱金属,使得整个器件实用性大大降低。为了克服这些缺点,他们利用Na3V2(PO4)3具有钠离子快速扩散能力及可逆储存钠离子的特点,开发设计了一种对称的钠离子赝电容器,即正负极都采用Na3V2(PO4)3/C复合材料。Na3V2(PO4)3/C复合材料采用全新的环境水解沉积法制备, 将快离子导体材料Na3V2(PO4)3纳米颗粒嵌入多孔碳中,构筑了高效的离子、电子三维混合导电网络:1)快离子导体材料Na3V2(PO4)3自身具有快速的钠离子传输通道及体相储存位置,2)碳材料提供快速电子传输通道及表面储存位置,3)多孔结构更易吸收电解液,浸润性好,4)纳米结构进一步减小离子传输距离。利用Na3V2(PO4)3的3.4 V 充电平台(正极)和1.7 V 放电平台(负极)设计出对称钠离子赝电容器,其工作电压为1.7 V。优异的三维结构在钠离子赝电容器中起了极大的作用,使得器件的能量密度达到26 Wh/kg,功率密度达到5.4 kW/kg,并且表现出优异的循环性能,10000次循环之后该器件仍然保持了初始能量的65%。

该器件的成功开发,填补了二次电池和超级电容器之间的空白。

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