在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和新能源時(shí)代，清潔高效的電化學(xué)儲(chǔ)能賦予當(dāng)今社會(huì)能量和生命，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能器件的快充能力和能量密度提出了更高的要求。超級(jí)電容器和鋰離子電池是目前兩種廣泛應(yīng)用的電能存儲(chǔ)器件。鋰離子電池提供高能量密度，但功率密度較低且使用壽命不長(zhǎng)。傳統(tǒng)基于碳材料的超級(jí)電容器具有高功率密度和超長(zhǎng)的使用壽命，卻受限于較低的能量密度和昂貴的價(jià)格。近年來通過（類）電池材料和（類）電容器材料分別作為兩極組裝得到的離子電容器得到了廣泛的關(guān)注。該器件能夠很好地結(jié)合電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，既具備較高能量密度，同時(shí)還保持高倍率、長(zhǎng)使用壽命的特點(diǎn)。此外，使用鈉來取代儲(chǔ)量有限且分布不均，使用價(jià)格昂貴的鋰來制備鈉離子電容器可有效地降低離子電容器的價(jià)格，有利于大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。然而，與鋰離子儲(chǔ)能器件相比，缺乏高性能的電化學(xué)儲(chǔ)鈉材料成為制約鈉離子電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素。
近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的盧云峰（Yunfeng Lu）教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組在ACS Nano雜志上發(fā)表文章，報(bào)道了一種介孔單晶二氧化鈦/石墨烯（MWTOG）復(fù)合材料，具有快速穩(wěn)定的電化學(xué)儲(chǔ)鈉性能。他們以該材料作為負(fù)極，商業(yè)化的活性炭作為正極，實(shí)現(xiàn)了具有較高能量/功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈉離子電容器。
作為最早研究鈉離子電容器的課題組之一，他們?cè)?012年就與UCLA的超級(jí)電容器專家Bruce Dunn教授合作，開發(fā)了一種五氧化二釩/碳納米管復(fù)合鈉離子的電容器負(fù)極（ACS Nano, 2012, DOI: 10.1021/nn300920e）。在前期材料合成的基礎(chǔ)上（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.003），該工作利用微波溶劑熱反應(yīng)一步法制備得到新型的二氧化鈦-石墨烯復(fù)合材料作為鈉離子電容器負(fù)極材料。該復(fù)合材料的微米級(jí)單晶二氧化鈦顆粒是由超小納米晶粒按一定取向堆積而成，并牢固附著在石墨烯基底上。
介孔單晶二氧化鈦-石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征。圖片來源：ACS Nano
在該復(fù)合材料中，納米晶體堆砌間隙形成的介孔促進(jìn)電解液浸潤(rùn)電極，為鈉離子傳輸提供快速的通道，與此同時(shí)，石墨烯有效地提高了材料的電子導(dǎo)電率并提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，兩者的協(xié)同作用保證了鈉離子通過電化學(xué)過程在二氧化鈦中快速地嵌入和脫出。在5 C的恒電流充放電過程中（1 C = 335 mA?g-1）表現(xiàn)出非常小的電化學(xué)過電位（0.19 V），同時(shí)體現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)過程的高度可逆性。通過優(yōu)化石墨烯含量，該材料還可實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)鈉容量（5 C下為126 mAh?g-1）、高倍率性能（20 C，約一分鐘充電/放電）和長(zhǎng)循環(huán)壽命（18000圈無明顯衰減）。
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