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南开大学:落叶制备高效正极材料

来源:中国科学报 作者:马超 2018-01-03 13:59:35
  日前,南开大学材料科学与工程学院教授周震课题组寻找到二氧化钛/碳纳米管这种具有快速反应动力学的复合负极材料,并以校园中脱落的树叶为原料,制备出高效的正极材料,大大提高了钠离子电容器整体性能,相关成果发表在《先进能源材料》。

  钠离子电容器作为一种新型的储能器件,兼顾了电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优点,近年来受到了广泛关注,但还存在着成本高、 材料利用率低、 倍率性能及循环稳定性不足等问题。此外,现有钠离子电容器正极材料单位重量中能量存储量要远远小于负极,要想使二者具有相同储电量,就不得不制作大而厚重的正极,这一点也限制了钠离子电容器在储能领域的广泛应用。

  “作为负极材料,要求其具有低电位,而正极需要具有高电位,这样组成电池或电容器的电压才能高。”周震介绍。团队就地取材,以南开大学津南校区梨树叶为原料,制备了拥有高比表面积的生物质碳材料作为吸附型正极。现有钠离子电容器多以商业活性炭为正极,与商业活性炭相比,这种以树叶制备的生物质碳材料表现出了对阴离子快速的吸脱附特性和突出的循环稳定性,能够提升存储电量和充放电速度。

  周震课题组通过静电纺丝技术,引入碳纳米管,设计制备了二氧化钛和碳纳米管均匀分散于碳材料中的纳米棒,作为嵌入型负极。“我们利用二氧化钛构建钠离子电容器,二氧化钛较低的储钠电位和固有的赝电容特性,有效增强了混合器件的能量密度和倍率性能,大大提升了正极的储电总量和充放电速度。”周震介绍。碳纳米管的引入有效促进了离子和电子的传输,有效提高了材料的赝电容比例,进而带来了更加突出的倍率性能。在半电池测试中,该材料表现出了优异的循环稳定性。

  钠离子具有较大的离子半径,更加趋向于表面的赝电容反应。为了充分发挥这一特性,团队将上述两种材料通过合理匹配,组装成了钠离子电容器。该器件表现出很高的能量密度(81.2 W h kg-1)、优异的功率密度(12400 W kg-1)及超长的循环稳定性(1 A g-1大电流下循环5000次容量保持率为85.3%),有效解决了现有电容器存在的正负极电化学反应动力学不匹配的问题,为钠离子电容器的研究发展提供了新思路。

  最后,研究小组通过成功驱动迷你风扇的实验进一步证明了该钠离子电容器拥有高的电压输出,为今后的实用化提供了可能。

  “其实不光是树叶,秸秆、菜叶等也可用来制作电容正极,如果规模化生产一定程度上将有利于环保事业发展。”周震介绍。

  该工作得到了国家重点研发计划项目的资助。
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