混合電容器技術(shù)將二次電池和超級電容器進(jìn)行“內(nèi)部交叉”，兼具高能量密度、高功率密度及長壽命等特性。目前，鋰離子混合電容器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。但鋰資源不足和分布不均會限制鋰基儲能器件大規(guī)模應(yīng)用及可持續(xù)發(fā)展。鈉鉀資源豐富、分布廣泛、價格低廉，與鋰的物理化學(xué)特性相似，使得鈉鉀離子儲能器件有望成為鋰基儲能體系的潛在替代品，近年來其關(guān)鍵材料及相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員閻興斌團(tuán)隊一直致力于新型碳材料與儲能器件研究，發(fā)展了一系列雙碳高性能新型金屬離子混合電容器。

研究人員利用熱固相燒結(jié)一步制備了三維網(wǎng)絡(luò)碳材料，獲得了網(wǎng)絡(luò)碳材料關(guān)鍵制備技術(shù)；并進(jìn)一步采用化學(xué)活化技術(shù)制備了具有優(yōu)異電容特性的多孔三維網(wǎng)絡(luò)碳材料（正極材料）。利用雙碳體系電極材料電化學(xué)特性穩(wěn)定、導(dǎo)電性優(yōu)異且與電解液匹配性好等特點(diǎn)，通過優(yōu)化正負(fù)極活性材料質(zhì)量和動力學(xué)匹配特性，最終構(gòu)筑了兼具高能量密度和功率密度且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異的雙碳鈉離子混合電容器（如圖1示），相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Adv. Energy Mater.2018, 8, 1702409。

近期，研究人員利用碳酸鈉為模板，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)合成了碳納米片負(fù)極材料，此碳納米片具有導(dǎo)電性好、缺陷豐富、層間距大、富氧等特點(diǎn)，有利于離子的存儲與傳輸。該碳納米片作為負(fù)極材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的鉀離子存儲特性，為構(gòu)筑高性能鉀離子混合電容器奠定了基礎(chǔ)。因此，研究人員利用碳納米片負(fù)極材料與高容量氮摻雜三維碳正極材料構(gòu)建了鉀離子混合電容器（如圖2示）。通過材料設(shè)計及器件優(yōu)化，該混合電容器性能優(yōu)異，具有高能量密度（149 Wh kg-1）和高功率密度（21 kW kg-1），以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性（5000圈循環(huán)80%的保持率)。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Adv. Energy Mater.2019, 1803894。

與此同時，研究人員還采用最為常用的蠟燭作為原料，采用簡單的燃燒法制備了洋蔥碳負(fù)極材料，并組裝了高性能雙碳鉀離子混合電容器（如圖3示），相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在J. Mater. Chem. A, 2019, http://dx.doi.org/10.1039/C9TA01653H。

以上工作得到國家自然科學(xué)基金、蘭州化物所“一三五”戰(zhàn)略規(guī)劃重點(diǎn)培育項(xiàng)目和中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目的資助。

圖1雙碳鈉離子混合電容器

圖2雙碳鉀離子混合電容器

圖3蠟燭灰負(fù)極雙碳鉀離子混合電容器

原標(biāo)題:蘭州化物所新型混合電容器研究取得系列進(jìn)展