基于[email protected]@C纳米棒的钠离子电容器

钠离子电容器作为一种新型的储能器件,兼顾了电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优点,近年来受到了广泛关注。但由于正负极电化学反应动力学不匹配,使得钠离子电容器的循环性能不佳。另外,商业活性炭正极的非法拉第反应储存的能量要远小于负极法拉第反应储存的能量。因此,寻找具有快速反应动力学的负极材料,同时匹配高效的正极材料是提高钠离子电容器整体性能的有效途径。

南开大学材料科学与工程学院周震课题组通过静电纺丝技术,引入碳纳米管,设计制备了TiO2@[email protected] 纳米棒作为嵌入型负极。利用TiO2较低的储钠电位(0.7 V)和固有的赝电容特性,有效提高了混合器件的能量密度和倍率性能。碳纳米管的引入有效促进了离子和电子的传输,有效提高了材料的赝电容比率,进而带来了更加突出的倍率性能。在半电池测试中,该材料表现出了优异的循环稳定性(1 A g-1电流密度下循环1000次可逆容量仍为153 mAh g-1,容量保持率为93%)和高倍率性能(12 A g-1大电流密度下可逆容量71 mAh g-1)。同时,研究小组就地取材,以南开大学津南校区梨树叶为原料,制备了拥有高比表面积的生物质碳材料(BAC)作为吸附型正极,与商业活性炭相比,该材料表现出了对阴离子快速的吸脱附特性和突出的循环稳定性。

钠离子具有较大的离子半径,更加趋向于表面的赝电容反应。为了充分发挥这一特性,研究小组将上述两种材料通过合理匹配,组装成了钠离子电容器。该器件表现出很高的能量密度(81.2 W h kg-1)、优异的功率密度(12400 W kg-1)及超长的循环稳定性(1 A g-1大电流下循环5000次容量保持率为85.3%),有效解决了正负极电化学反应动力学不匹配的问题,为钠离子电容器的研究发展提供了新思路。

最后,研究小组通过成功驱动迷你风扇的实验进一步证明了该钠离子电容器拥有高的电压输出,为今后的实用化提供了可能。该工作发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201701222)上。第一作者为南开大学材料科学与工程学院学生祝远恩。

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