【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院彭?xiàng)澚骸⑽轰旋垐F(tuán)隊(duì)在多孔碳材料的雙電層電容儲(chǔ)能機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《通過(guò)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)溶劑化結(jié)構(gòu)在碳納米孔中連續(xù)部分脫溶提升雙電層容量》(“Unlocking limited electric double-layer capacity via electrochemically-driven continuous partial desolvations in carbon nanopores”)為題發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)。
商業(yè)化超級(jí)電容器較低的能量密度，難以滿(mǎn)足規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能等對(duì)高功率輸出有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景需求。其能量密度不足主要受制于兩個(gè)原因：一是超級(jí)電容器依靠電極表面的雙電層機(jī)制儲(chǔ)能，電荷容量有限；二是為避免電解液分解形成固體電解質(zhì)界面(SEI)膜造成的雙電層吸附失效，其工作電壓窗口較窄。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在鈉基醚類(lèi)電解液中，多孔碳負(fù)極即便在遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)碳酸酯電解液分解電壓的條件下工作，形成的SEI保護(hù)膜也很“友好”，能讓溶劑化的鈉離子一起進(jìn)入微小的孔道內(nèi)進(jìn)行雙電層吸附。并且在不斷擴(kuò)展的工作電壓窗口下，電勢(shì)驅(qū)動(dòng)著溶劑化鈉離子中的溶劑分子逐步的部分脫落，平均溶劑化數(shù)從2.1降至0.6，從而使溶劑化鈉離子更貼近碳材料表面，大幅提升了儲(chǔ)電容量。
因此，在比電容與工作電壓窗口的“雙重提升”下，多孔碳負(fù)極獲得了508C g−1的超高比容量，同時(shí)保持了超級(jí)電容器充放電速率快、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)這一結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)組裝了多孔碳||磷酸釩鈉的混合鈉離子電容器軟包電芯，具有40 Wh kg−1的能量密度(基于整體電芯的質(zhì)量)，并可在70秒的快速充放電速率下穩(wěn)定循環(huán)30,000圈以上。相比目前市場(chǎng)上已有的鋰離子電容器，這種鈉離子電容器不需要復(fù)雜的預(yù)處理步驟，工藝更簡(jiǎn)單、成本更低，非常適合需要快速充放電、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能場(chǎng)景。
該研究工作在魏湫龍副教授、彭?xiàng)澚航淌诤痛筮B化物所鐘貴明副研究員的指導(dǎo)下完成，廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院博士生范思成、博士生燕澤銳和碩士生王彬豪為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(22179113、22479123、22272175和52431009)、福建省自然科學(xué)基金(2025J010006)以及表界面化學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連化學(xué)物理研究所、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室的支持。
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