金屬離子混合電容器集高能量密度, 高功率輸出以及長迴圈壽命等優點於一身, 近年來已成為未來可持續發展新型儲能系統的一個重要發展方向. 其中, 因鈉資源豐富, 價格低廉, 與鋰的物理化學性質相似, 使得鈉離子電池及鈉離子混合電容器作為鋰離子儲能體系有效的替代產品, 發展勢頭迅猛, 各類新型鈉離子混合電容器的研究報道不斷湧現.
近日, 中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌團隊利用新型金屬有機骨架 (MOFs) 材料開放的孔道結構, 高的比表面積和可調控的結構, 從MIL-125 (Ti) 和ZIF-8入手, 成功製備了結構穩固併兼具快速動力學特徵的TiO2/C納米複合負極材料和具有高比表面積的3D分級納米多孔碳ZDPC正極, 在NaClO4/EC-PC有機電解液體系, 成功構築了高性能新型鈉離子混合電容器.
研究發現, MOFs衍生TiO2/C納米複合材料, 因有機配體熱分解時生成的TiO2納米晶表面原位形成了連續導電網路, 這不僅有利於提高材料的導電性, 還可有效防止在充放電過程中TiO2納米顆粒的團聚和體積膨脹, 大大提高材料的迴圈穩定性和倍率特性. 微孔和介孔並存的獨特孔結構以及細小的TiO2納米晶都可有效縮短離子擴散路徑, 增大活性材料與電解液的接觸位點, 有效提高材料的動力學行為. 而ZIF-8衍生的3D分級納米多孔碳正極, 因配體原位引進氮, 氧雜原子, 有效改善了材料的導電性和電解液浸潤性, 加之高的比表面積和微孔, 介孔以及大孔並存的分級多孔結構, 使得該材料在有機電解液體系中依然表現出優異的雙電層電容行為, 比電容明顯高於商用活性炭. 在此基礎上, 基於正, 負極質量配比優化和動力學行為匹配, 成功構築了高能量密度和高功率輸出以及迴圈穩定性優異的新型儲能器件TiO2/C//ZDPC.
該成果近期線上發表於《先進功能材料》 (Advanced Functional Materials, 2018, DOI:10.1002/adfm.201800757) . 該工作得到了國家自然科學基金 (21573265, 21673263和51501208) 和青島市自主創新計劃基金 (16-5-1-42-jch) 的資助和支援.
鈉離子混合電容器構築示意圖和性能展示圖
