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双金属碳化物复合结构Co3ZnC@NC与微孔碳材料构筑高能量密度的杂化锂离子电容器

随着便携式电子设备以及电动汽车的快速发展,现代社会迫切需要高能量密度、大功率以及长寿命的先进能源存储设备。然而,现有的储能器件仍然存在种种的缺点,如应用广泛的锂离子电池的功率密度需要提升,而超级电容器的能量密度则需要提升。因此科研人员尝试将锂离子电池与超级电容器结合起来组装成杂化锂离子电容器(HLIC),其设计思路是以电池类电极材料作为负极、超级电容器类电极材料作为正极,从而组装成具有特殊工作机理的杂化储能器件。但是目前HLIC离实际应用还有较长的路要走,主要是因为锂离子电池类型材料的动力学过程相对于超级电容器材料较为缓慢,因此需要寻找可快速脱嵌锂离子的电池材料和高比表面积的电容器材料,以产生良好的搭配和协同作用。近日,南京大学的金钟教授课题组采用分步热解双金属有机骨架(ZnCo-ZIF)合成的氮掺杂碳包裹Co3ZnC纳米颗粒多面体(Co3ZnC@NC)作为负极材料,以生物质松针叶衍生的高比表面积微孔碳(MPC)作为正极材料(图1),创新性地研发了高能量密度的杂化锂离子电容器。该研究成果发表在储能领域的重要国际期刊Energy Storage Materials上。

研究表明,Co3ZnC@NC复合材料具有优异的电化学性能(图2)。在2 mV/s的扫速下,其电容贡献可达75%,说明其储锂过程主要是赝电容机理。通过不同电流密度下的倍率测试,表明Co3ZnC@NC复合材料具有优异的倍率性能。

生物质松针衍生的微孔碳同样具有优异的电化学性能(图3)。当电流密度为100 mA/g时,其容量为59.6 mAh/g,要高于目前商业化的活性炭(35 mAh/g)。在电流密度1000 mA/g循环1500圈之后,容量为初始容量的93%,体现了优秀的循环性能。

双金属碳化物复合结构Co3ZnC@NC与微孔碳材料构筑高能量密度的杂化锂离子电容器图1. (a-c)Co3ZnC@NC的SEM、TEM图像,(d-f)MPC的SEM、TEM图像。

双金属碳化物复合结构Co3ZnC@NC与微孔碳材料构筑高能量密度的杂化锂离子电容器

图2. Co3ZnC@NC复合材料的电化学性能。(a)不同扫速下的循环伏安曲线,(b)峰电流与扫速之间的关系图,(c)扫速为2 mV/s的循环伏安曲线,红色区域为电容贡献。(d)在500至5000 mA/g下的倍率性能。

双金属碳化物复合结构Co3ZnC@NC与微孔碳材料构筑高能量密度的杂化锂离子电容器

图3. MPC电极的电化学性能。(a)不同扫速下的循环伏安曲线,(b)不同电流密度下的恒流充放电曲线,(c)在100至6000 mA/g下的倍率性能,(d)在1000 mA/g电流密度下进行1500次循环的循环性能。

双金属碳化物复合结构Co3ZnC@NC与微孔碳材料构筑高能量密度的杂化锂离子电容器

图4. (a)杂化锂离子电容器结的构示意图。(b)能量密度与功率密度图。

在1-4.5 V的工作电压范围内,该杂化锂离子电容器在275 W/kg的功率密度下,能量密度高达141.4 Wh/kg(基于活性材料计算),而在15.2 Wh/kg的能量密度下,其功率密度可达10.3 kW/kg(图4)。该杂化锂离子电容器表现出优异电化学性能的原因可以简略归结于:(1)Co3ZnC@NC复合材料的赝电容特性提高了Co3ZnC@NC电极的动力学,同时其分级多孔结构促进了电子和离子的快速传导。(2)MPC具有大的比表面积、丰富的微孔结构,有助于保障快速的电荷传输以及高的比容量。(3)Co3ZnC@NC负极材料和MPC正极材料之间电化学动力学的良好匹配性保证了高性能的杂化锂离子电容器。该研究成果为研发下一代先进储能材料和器件提供了新的视角。

Guoyin Zhu, Tao Chen, Lei Wang, Lianbo Ma, Yi Hu, Renpeng Chen, Yanrong Wang, Caixing Wang, Wen Yan, Zuoxiu Tie, Jie Liu, and Zhong Jin, High Energy Density Hybrid Lithium-Ion Capacitor Enabled by Co3ZnC@N-Doped Carbon Nanopolyhedra Anode and Microporous Carbon Cathode, Energy Storage Materials,  DOI:10.1016/j.ensm.2018.04.009.

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