初冬時節(jié),樹葉紛紛掉落。隨手撿起幾片就能加工成具有良好性能的電容器正極?近日,南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周震教授課題組做到了。該課題組尋找到二氧化鈦/碳納米管這種具有快速反應(yīng)動力學(xué)的復(fù)合負(fù)極材料,同時就地取材以津南校區(qū)脫落的梨樹葉為原料制備出高效的正極材料,大大提高了鈉離子電容器整體性能,相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》(2017, 7, 1701222)。
鈉離子電容器作為一種新型的儲能器件,兼顧了電池高能量密度和超級電容器高功率密度的優(yōu)點(diǎn),近年來受到了廣泛關(guān)注,但存在成本高、材料利用率低、倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性不足等問題。此外,現(xiàn)有鈉離子電容器正極材料單位重量中能量存儲量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)極,要想使二者具有相同儲電量就不得不制作大而厚重的正極,這也限制了鈉離子電容器在儲能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
“作為負(fù)極材料,要求其具有低電位,而正極需要具有高電位,這樣組成電池或電容器的電壓才能高!敝苷鸾榻B。團(tuán)隊就地取材,以南開大學(xué)津南校區(qū)梨樹葉為原料,制備了擁有高比表面積的生物質(zhì)碳材料作為吸附型正極。現(xiàn)有鈉離子電容器多以商業(yè)活性炭為正極,與商業(yè)活性炭相比,這種以樹葉制備的生物質(zhì)碳材料表現(xiàn)出了對陰離子快速的吸脫附特性和突出的循環(huán)穩(wěn)定性,能夠提升存儲電量和充放電速度。
周震課題組通過靜電紡絲技術(shù),引入碳納米管,設(shè)計制備了二氧化鈦和碳納米管均勻分散于碳材料中的納米棒,作為嵌入型負(fù)極!拔覀兝枚趸仒(gòu)建鈉離子電容器,二氧化鈦較低的儲鈉電位和固有的贗電容特性,有效增強(qiáng)了混合器件的能量密度和倍率性能,大大提升了正極的儲電總量和充放電速度。”周震介紹。碳納米管的引入有效促進(jìn)了離子和電子的傳輸,有效提高了材料的贗電容比例,進(jìn)而帶來了更加突出的倍率性能。在半電池測試中,該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
鈉離子具有較大的離子半徑,更加趨向于表面的贗電容反應(yīng)。為了充分發(fā)揮這一特性,團(tuán)隊將上述兩種材料通過合理匹配,組裝成了鈉離子電容器。該器件表現(xiàn)出很高的能量密度(81.2 W h kg-1)、優(yōu)異的功率密度(12400 W kg-1)及超長的循環(huán)穩(wěn)定性(1 A g-1大電流下循環(huán)5000次容量保持率為85.3%),有效解決了現(xiàn)有電容器存在的正負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)不匹配的問題,為鈉離子電容器的研究發(fā)展提供了新思路。
最后,研究小組通過成功驅(qū)動迷你風(fēng)扇的實(shí)驗,進(jìn)一步證明了該鈉離子電容器擁有高的電壓輸出,為今后的實(shí)用化提供了可能。
“其實(shí)不光是樹葉,秸稈、菜葉等也可用來制作電容正極,如果規(guī)模化生產(chǎn),一定程度上將有利于環(huán)保事業(yè)發(fā)展!敝苷鸾榻B。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的資助。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201701222/full
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