混合電容器技術(shù)將二次電池和超級電容器進行“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現(xiàn)商業(yè)化應用。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)絡碳材料，獲得了網(wǎng)絡碳材料關(guān)鍵制備技術(shù)；并進一步采用化學活化技術(shù)制備了具有優(yōu)異電容特性的多孔三維網(wǎng)絡碳材料（正極材料）。利用雙碳體系電極材料電化學特性穩(wěn)定、導電性優(yōu)異且與電解液匹配性好等特點，通過優(yōu)化正負極活性材料質(zhì)量和動力學匹配特性，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，通過化學氣相沉積（CVD）技術(shù)合成了碳納米片負極材料，此碳納米片具有導電性好、缺陷豐富、層間距大、富氧等特點，有利于離子的存儲與傳輸。該碳納米片作為負極材料，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基金、蘭州化物所“一三五”戰(zhàn)略規(guī)劃重點培育項目和中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目的資助。

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蠟燭灰負極雙碳鉀離子混合電容器

原標題:蘭州化物所新型混合電容器研究取得系列進展