TiC纳米链电极的高能锂离子电容器的构筑

锂离子电池和超级电容器是目前市场上应用前景最好的两类储电装置。锂离子电池具有很高的能量密度(约100~200 Wh kg−1,储存的电量多),但其功率密度低(一般低于1000 W kg−1,充放电时间长)且循环寿命短(通常少于1000次);超级电容器具有很高的功率密度(10 kW kg−1以上,能快速充放电)和超长的循环寿命(10万次以上),但其能量密度偏低。现代各种电子设备以及电动汽车的发展对储能系统都提出了高能量密度、高功率密度和循环寿命的需求。如果有一种储能装置能同时满足这些要求,将会开启储能领域的新篇章。在此背景下,将锂离子电池和超级电容器电极材料融入在一个系统中的“锂离子电容器(Lithium-ion capacitor, LIC)”应运而生。

锂离子电容器的正负极通常具有不同的电荷存储机理,正极是快速充放电的双电层机理,而负极则基于锂离子体相插层反应,因此两者的电极反应动力学速率是不一致的。为了解决两电极之间电荷传递动力学的匹配问题,锂离子电容器的负极材料除了具有高的比容量之外,还应有良好的倍率与循环性能,以及较低的放电平台来保证锂离子电容器的高电位窗口。同时,锂离子电容器的正极材料,除了具备高倍率和良好的循环性能之外,根据容量公式(1/CLIC = 1/Ccathode + 1/Canode),其还需要有较高的容量。

AFMyanqingyu针对锂离子电容器存在的上述问题,新加坡南洋理工大学的颜清宇(Yan Qingyu)教授、范红金(Fan Hong Jin)教授、Madhavi Srinivasan教授及其研究团队合作,以三维多孔网状的石墨烯/二氧化钛复合物气凝胶(graphene/TiO2 hybrid aerogels)为前驱体,通过一步碳热反应制备了高度导电且相互交联的碳化钛纳米粒子链状材料(interconnected TiC nanoparticle chains)。该材料在锂离子储存过程中表现出了赝电容主导的电荷储存机理,在0.1 A g−1电流密度下比容量为450 mAh g−1,在20 A g−1时仍有137 mAh g−1,且循环性能优异(10 A g−1循环8000次之后仍保持95%的容量)。另外,为了构建优异的锂离子电容器正极材料,作者选择有机溶剂吡啶(pyridine)作为原材料,与金属钠通过溶剂热反应合成了三维高比表面的氮掺杂多级孔(大孔、介孔、微孔)碳材料,该碳材料在高电位区间(2.5−4.5 V vs Li/Li+)具有较高的容量(0.1 A g−1时容量为81 mAh g−1,30 A g−1为42 mAh g−1)。将上述合成的碳化钛作为负极,多孔氮掺杂的碳作为正极,在有机电解质中构建了一种新型的混合锂离子电容器。该装置在功率密度为450 W kg-1时,能量密度高达101.5 Wh kg-1(基于活性材料计算),且在23.4 Wh kg-1的能量密度下(基于活性材料计算),其功率密度可高达67.5 kW kg-1,循环寿命高达5000次以上。该研究成果为研发下一代高性能储能技术提供了新视野,具有潜在的商业化应用价值。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201505240)上。