在移動互聯(lián)網(wǎng)和新能源時代，清潔高效的電化學(xué)儲能賦予當(dāng)今社會能量和生命，同時對儲能器件的快充能力和能量密度提出了更高的要求。超級電容器和鋰離子電池是目前兩種廣泛應(yīng)用的電能存儲器件。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。傳統(tǒng)基于碳材料的超級電容器具有高功率密度和超長的使用壽命，卻受限于較低的能量密度和昂貴的價格。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)合電池和超級電容器的優(yōu)點，既具備較高能量密度，同時還保持高倍率、長使用壽命的特點。此外，使用鈉來取代儲量有限且分布不均，使用價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格，有利于大規(guī)模的儲能應(yīng)用。然而，與鋰離子儲能器件相比，缺乏高性能的電化學(xué)儲鈉材料成為制約鈉離子電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素。
近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的盧云峰（Yunfeng Lu）教授（點擊查看介紹）課題組在ACS Nano雜志上發(fā)表文章，報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，實現(xiàn)了具有較高能量/功率密度和長循環(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，他們在2012年就與UCLA的超級電容器專家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電解液浸潤電極，為鈉離子傳輸提供快速的通道，與此同時，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，該材料還可實現(xiàn)高儲鈉容量（5 C下為126 mAh?g-1）、高倍率性能（20 C，約一分鐘充電/放電）和長循環(huán)壽命（18000圈無明顯衰減）。
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