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基于介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料的高性能钠离子电容器
2018-01-19 16:20:51 | 【 【打印】【关闭】

  在移动互联网和新能源时代,清洁高效的电化学储能赋予当今社会能量和生命,同时对储能器件的快充能力和能量密度提出了更高的要求。超级电容器和锂离子电池是目前两种广泛应用的电能存储器件。锂离子电池提供高能量密度,但功率密度较低且使用寿命不长。

  传统基于碳材料的超级电容器具有高功率密度和超长的使用寿命,却受限于较低的能量密度和昂贵的价格。近年来通过(类)电池材料和(类)电容器材料分别作为两极组装得到的离子电容器得到了广泛的关注。该器件能够很好地结合电池和超级电容器的优点,既具备较高能量密度,同时还保持高倍率、长使用寿命的特点。此外,使用钠来取代储量有限且分布不均,使用价格昂贵的锂来制备钠离子电容器可有效地降低离子电容器的价格,有利于大规模的储能应用。然而,与锂离子储能器件相比,缺乏高性能的电化学储钠材料成为制约钠离子电容器发展的关键因素。

  近日,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的卢云峰(Yunfeng Lu)教授课题组在ACS Nano 杂志上发表文章,报道了一种介孔单晶二氧化钛/石墨烯(MWTOG)复合材料,具有快速稳定的电化学储钠性能。他们以该材料作为负极,商业化的活性炭作为正极,实现了具有较高能量/功率密度和长循环寿命的钠离子电容器。  

 

  作为最早研究钠离子电容器的课题组之一,他们在2012年就与UCLA的超级电容器专家Bruce Dunn教授合作,开发了一种五氧化二钒/碳纳米管复合钠离子的电容器负极(ACS Nano, 2012, DOI: 10.1021/nn300920e)。在前期材料合成的基础上(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.003),该工作利用微波溶剂热反应一步法制备得到新型的二氧化钛-石墨烯复合材料作为钠离子电容器负极材料。该复合材料的微米级单晶二氧化钛颗粒是由超小纳米晶粒按一定取向堆积而成,并牢固附着在石墨烯基底上。   

 

介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料的结构表征。图片来源:ACS Nano

  在该复合材料中,纳米晶体堆砌间隙形成的介孔促进电解液浸润电极,为钠离子传输提供快速的通道,与此同时,石墨烯有效地提高了材料的电子导电率并提升了结构稳定性,两者的协同作用保证了钠离子通过电化学过程在二氧化钛中快速地嵌入和脱出。在5C的恒电流充放电过程中(1C=335mA•g-1)表现出非常小的电化学过电位(0.19V),同时体现了电化学反应过程的高度可逆性。通过优化石墨烯含量,该材料还可实现高储钠容量(5C下为126 mAh•g-1)、高倍率性能(20C,约一分钟充电/放电)和长循环寿命(18000圈无明显衰减)。   

 

  介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料的电化学储钠性能。图片来源:ACS Nano 

  作者以该单晶介孔二氧化钛-石墨烯复合材料作为负极、商业活性碳作为正极,开发出高性能的非对称钠离子电容器。该电容器采用有机电解液,具有较高的工作电压(1-3.8 V)。与传统的锂/钠离子电池和电容器相比,基于介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料的钠离子电容器在能量/功率密度和循环寿命上都表现出一定的优势。该钠离子电容器的性能可通过改进正极碳材料和优化正负极配比得到进一步提升。   

 

基于介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料的钠离子电容器的电化学性能。图片来源:ACS Nano 

  作者进一步探索了单晶介孔二氧化钛-石墨烯复合材料的电化学储钠机理,发现该复合微纳米结构在多次电化学脱嵌钠离子之后仍可以维持结构完整性。此外,该复合材料表现出优异的赝电容(pseudocapacitance)特性,是实现高倍率、长寿命电化学储能的关键。该工作加深了对二氧化钛基储钠材料的认识,同时提供了一种通过微纳米结构复合材料开发高性能储能机器的有效思路。   

 

 介孔单晶二氧化钛-石墨烯复合材料电化学储钠机理的研究。图片来源:ACS Nano 

  本文的第一作者是UCLA的博士生乐在原(Zaiyuan Le)。通讯作者卢云峰教授(UCLA化学与生物分子工程系)长期从事新能源与生物医药领域的研究。共同通讯作者吴浩斌博士为UCLA博士后,现为浙江大学“百人计划”研究员、“青年千人”入选者。 

 

  来源:中国材料网 http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=81920 

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