Small:高性能钠离子电容器关键材料的研究现状和展望

随着电动汽车、消费电子和分布式能源的发展,先进储能器件的开发变得越来越重要。其中,锂离子电池和超级电容器是最典型的两种储能器件:前者已经深入到我们日常生活中的方方面面,三位早期研究者(John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino)也因此分享了2019年度的诺贝尔化学奖,它具有较高的能量密度,但功率密度不及后者;后者也在储能领域发挥着重要的作用,它有着出色的功率密度,但其能量密度偏低。为此,研究人员开发了继承二者特性、同时具有高能量密度和高功率密度的混合储能器件——锂离子电容器。但是,随着储能需求的不断增长,地球上储量有限且分布不均匀的锂资源在未来很有可能会成为制约储能器件发展的瓶颈问题。由于与锂元素有着相似的化学性质,同时在地球上具有丰富的储量,基于钠元素的储能器件近年来受到了广泛重视。其中,钠离子电容器由于和锂离子电容器有相似的结构,有望成为一种可以同时满足高能量密度、高功率密度和原料储量丰富等要求的新型储能器件。

近些年来,有关钠离子电容器研究的报道也日益增多,但尚缺乏系统的总结和梳理。在此背景下,清华大学材料学院张宏伟、吕瑞涛等对钠离子电容器所使用的电池型电极材料、电容型电极材料和电解液的研究进行了总结和展望,为这一重要领域的研究提供了极有价值的参考。

钠离子电容器通常由电池型电极、电容型电极、含有钠离子的电解液和隔膜等组成。电池型电极材料多被用于负极,而电容型电极材料多被用于正极,但也有少量研究中的器件采用了相反的结构。以最常见的基于电池型负极材料和电容型正极材料的器件为例,常见的电池型负极包括各类碳材料、钛基材料、MXenes、转化反应材料、合金化材料以及有机材料等;常见的电容型正极材料包括活性炭材料、碳纳米管以及石墨烯等新型碳材料、MXenes等;常见的电解液则包括有机系酯类电解液、水系电解液以及固态电解质等。这些电极或电解液材料都有着各自的特点,但每类材料也都有其局限之处,较为普遍的问题包括导电性、电化学反应动力学等问题。这些问题需要采用合适的调控手段来克服,如异质原子掺杂、构筑纳米结构和制备复合材料等方法。针对每种材料,文中都对其优势、存在的问题及调控手段进行了针对性的介绍,并对钠离子电容器这一新兴研究领域未来需努力的方向给出了展望。

相关论文以“Advanced Materials for Sodium-Ion Capacitors with Superior Energy–Power Properties: Progress and Perspectives”为题,在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201902843)上