我所研制出新型“雙高”鋰離子電池—超級電容器混合儲能器件

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊在混合型電化學儲能器件研究方面取得新進展,構建了具有與鋰離子電池類似工作機理的搖椅式電池—超級電容器混合儲能器件,并通過電極容量和動力學“雙匹配”策略,同時實現了器件的高能量密度和高功率密度(“雙高”)。

  以鋰離子電池和超級電容器為代表的電化學儲能器件得到了廣泛應用。然而,傳統鋰離子電池受限于遲緩的體相反應而具有較差的功率性能;超級電容器利用快速的表面過程存儲電荷,但受限于較低的能量密度。二者之間存在巨大的性能空白,難以滿足同時對能量和功率密度有較高要求的應用場景。將電池電極和超級電容器電極集成在一個器件內,有望結合兩種儲能機理的優勢,獲得“雙高”的電池—超級電容器混合儲能器件。此前研究工作主要利用電池型負極和雙電層電容型正極器件,該器件構型充放電過程所需的離子由電解液提供,與搖椅式工作機理的鋰離子電池相比需要消耗大量的電解液。此外,電池—超級電容器混合儲能器件的性能又受到電池型電極和電容型電極之間極不匹配的電荷存儲容量和電極動力學的限制。

  本工作選取具有本征鋰離子插層贗電容性質的正交Nb2O5(T-Nb2O5)為負極,高鎳三元鋰離子電池材料LiNi0.815Co0.15Al0.035O2(NCA)為正極,構建了鋰離子在正負極之間來回穿梭的搖椅式鋰離子電池—超級電容器混合儲能器件。一方面,所選取的正負極具有來自氧化還原反應的相似高容量;另一方面,負極的多孔納米花結構可以促進電解液的浸潤和傳輸,提升電極倍率性能。由于納米結構可能會給高電壓電池型正極帶來非活性表面重構,以及不穩定的電極/電解液界面等問題。因此,該工作構筑了一個由一維碳納米管、二維電化學剝離石墨烯、導電聚合物粘結劑構成的三維導電網絡,可以協同降低充放電過程中的內阻和極化。上述設計使得器件正負極具有高度匹配的容量和倍率性能,全器件的性能優于以往報道的具有搖椅式構型的鋰離子電池—超級電容器混合儲能器件,同時也優于電極容量或動力學不匹配的其它混合儲能器件。該工作為“雙高”混合儲能器件的構型設計和電極優化策略提供了新思路。

  相關研究成果以題為“A High-performance Rocking-chair Lithium-ion Battery-supercapacitor Hybrid Device Boosted by Doubly Matched Capacity and Kinetics of the Faradaic Electrodes”發表在《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)上。該工作的第一作者是我所508組2017級博士研究生蘇峰。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。(文/圖 蘇峰、侯曉城)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1039/D1EE00317H

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