以鋰離子電池和超級(jí)電容器為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能器件應(yīng)用廣泛，然而，傳統(tǒng)鋰離子電池受限于遲緩的體相反應(yīng)而具有較差的功率性能;超級(jí)電容器利用快速的表面過程存儲(chǔ)電荷，但受限于較低的能量密度。二者之間存在較大的性能空白，難以滿足同時(shí)對(duì)能量和功率密度有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。將電池電極和超級(jí)電容器電極集成在一個(gè)器件內(nèi)，有望結(jié)合兩種儲(chǔ)能機(jī)理的優(yōu)勢(shì)，獲得“雙高”的電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件。此前研究工作主要利用電池型負(fù)極和雙電層電容型正極器件，該器件構(gòu)型充放電過程所需的離子由電解液提供，與搖椅式工作機(jī)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(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件的性能受到電池型電極和電容型電極之間不匹配的電荷存儲(chǔ)容量和電極動(dòng)力學(xué)的限制。

科研人員選取具有本征鋰離子插層贗電容性質(zhì)的正交Nb2O5(T-Nb2O5)為負(fù)極，高鎳三元鋰離子電池材料LiNi0.815Co0.15Al0.035O2(NCA)為正極，構(gòu)建了鋰離子在正負(fù)極之間來回穿梭的搖椅式鋰離子電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件。一方面，選取的正負(fù)極具有來自氧化還原反應(yīng)的相似高容量;另一方面，負(fù)極的多孔納米花結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電解液的浸潤和傳輸，提升電極倍率性能。由于納米結(jié)構(gòu)可能會(huì)給高電壓電池型正極帶來非活性表面重構(gòu)，以及不穩(wěn)定的電極/電解液界面等問題。因此，該工作構(gòu)筑了一個(gè)由一維碳納米管、二維電化學(xué)剝離石墨烯、導(dǎo)電聚合物粘結(jié)劑構(gòu)成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以協(xié)同降低充放電過程中的內(nèi)阻和極化。上述設(shè)計(jì)使得器件正負(fù)極具有高度匹配的容量和倍率性能，全器件的性能優(yōu)于以往報(bào)道的具有搖椅式構(gòu)型的鋰離子電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件，也優(yōu)于電極容量或動(dòng)力學(xué)不匹配的其它混合儲(chǔ)能器件。該工作為“雙高”混合儲(chǔ)能器件的構(gòu)型設(shè)計(jì)和電極優(yōu)化策略提供了新思路。

相關(guān)研究成果以A High-performance Rocking-chair Lithium-ion Battery-supercapacitor Hybrid Device Boosted by Doubly Matched Capacity and Kinetics of the Faradaic Electrodes為題，發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》上。論文第一作者是大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組2017級(jí)博士研究生蘇峰。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等的資助。

大連化物所研制出新型“雙高”鋰離子電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件