基于强关联电子氧化物三维异质结构的高功率赝电容器

赝电容器是一种通过在赝电容材料固体电极/电解液界面处发生氧化/还原反应而实现电荷存储/释放的超级电容器,比静电吸附/脱附的双电层电容器具有更高的能量存储密度。作为一类新型能量存储器件,赝电容器具有充放电时间短、功率和能量密度高、使用寿命长、安全稳定性高等特点,在移动通讯、信息技术等领域有着重要的应用前景。其常规的氧化物、氢氧化物等赝电容材料以其原料绿色无毒、储量丰富、电荷存储密度高等特性受到广泛关注。然而,这些材料通常导电性差,难以满足在快速充放电所需求的快速电子输运能力等缺点,限制了其能量存储服役性能。发展兼具高比容量和高导电特性的赝电容材料一直是能量存储领域的重要课题之一,也是最终解决在电动汽车中广泛应用的关键科学问题和技术支撑之一。虽然在广泛的研究中纳米结构碳材料常被作为导电介质引入到赝电容材料以增强其导电性能,但宏观电极中的电子输运仍受限于赝电容材料/碳界面和包裹绝缘赝电容材料的碳导体间的高接触电阻。因此,基于这类复合材料电极的赝电容器仅表现出有限的增强性能。

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吉林大学郎兴友教授、蒋青教授及其研究团队在探索兼具高比容量和高电导全氧化物电极材料方面的研究取得了重要进展。他们发现,由于其在低温~160K的绝缘体-金属转变、在室温下保持金属态的强关联电子氧化物V2O3,不仅能通过表面氧化还原反应实现高密度的电荷存储,而且具有~103 S cm-1的导电率,有利于快速充放电的电子输运。基于聚苯乙烯微球模板,他们进一步发展了三维多孔结构的V2O3框架,并在此基础上构建了V2O3/MnO2三维异质结构。在V2O3/MnO2共格界面处形成的V-O-Mn键使原本绝缘的MnO2 (~10-5-10-6 S cm-1)在界面附近呈金属态,降低了界面接触电阻。该三维异质结构具有高速电子(V2O3框架)和离子(孔道)输运网络,能迅速将MnO2表面层氧化还原反应所产生的电荷经V-O-Mn界面转移,使MnO2的比容量达到其理论值的~95%(~1300 F g-1)。基于该三维异质结构的赝电容器比功率和比能量密度分别达到了422W cm-3 和94 mWh cm-3,且经过15000次循环测试后,其比容量仍保持~86%。该工作中构筑的三维高电导异质结构,不但可以作为一种普适方法改善其它电极材料电化学性能,而且也为发展新型高性能能量存储器件电极材料提供了新思路。相关结果发表在Advanced Science上

相关工作得到了国家自然科学基金青年基金、优秀青年科学基金的资助。