南洋理工范紅金&顏清宇AM綜述：非水混合金屬離子（Li+, Na+）電容型能量存儲

【背景介紹】

近年來，隨著化石資源的日益消耗與工業（或汽車）尾氣的不斷排放，部分城市PM2.5指標不斷攀升以及霧霾天氣時常光顧，人們對新鮮空氣和APEC藍、G20藍的渴望變得格外強烈。這種訴求將會使“能源充分利用和環境最小負荷”的發展理念更加備受關注，同時也對支撐這種理念所需的各種綠色或清潔能源技術寄予了前所未有的厚望。其中，鋰離子電池和超級電容器是目前應用前景最好的兩類儲能裝置。由于充放電機理的不同，兩者表現出不同的能量存儲特點：鋰離子電池具有很高的能量密度，但其功率和循環性能有限，而超級電容器具有很高的功率密度和超長的循環壽命，但其能量密度偏低。如果設計一種儲能裝置兼具兩者的優點，同時展現“高能量密度、高功率密度、長循環壽命”的特點，必將是儲能領域的新寵！也是儲能科研工作者的共同夢想。

解決方案是揚長避短，將鋰離子電池和超級電容器的電極材料進行優化設計，并融入到一個系統中，構建成所謂的“鋰離子電容器(Li-ion capacitor, LIC)”！鋰離子電容器的研究始于2001年，經過近些年的發展，這種新型的儲能裝置已取得了長足的進步。特別是，自從電池中的贗電容行為被陸續報道以來，為解決LIC兩電極之間電荷傳遞動力學的匹配問題提供了新的思路。另一方面，金屬鋰的資源面臨日益短缺且呈現分布不均勻的狀況，這可能會影響到未來LIC的價格成本，考慮到鈉和鋰處于同一主族，化學性質相似，而且鈉的資源豐富，價格僅為鋰的三十分之一左右，因此相對于鋰離子電容器而言，鈉離子電容器（Na-ion capacitor, NIC）在未來具有低成本和高性能的雙重優勢。

【成果介紹】

近日，針對贗電容材料在鋰離子電容器中的應用以及鈉離子電容器的最新研究進展，新加坡南洋理工大學的范紅金(Fan Hong Jin)教授、顏清宇(Yan Qingyu)（共同通訊）從混合金屬離子電容器的基本原理、結構特點、電解質類型、計算公式、電極材料設計等方面進行分析總結，詳細闡述了贗電容在上述裝置中應用的重要性，進而討論了基于贗電容材料(Nb₂O₅, VN, TiC, V₂O₅, H₂Ti₆O₁₃,MnO等)的鋰離子電容器的優缺點；在此基礎上，又對近幾年剛剛嶄露頭角的鈉離子電容器進行了詳細的討論與總結，并對LIC和NIC的能量存儲性能進行了對比，最后作者從納米陣列結構、柔性、固體（或準固態）等方面對混合金屬離子電容器進行了展望。該綜述將為研發高性能混合電容器技術提供了新的視角，相關成果以題為“Non-Aqueous Hybrid Lithium and Sodium Ion Capacitors”發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1?鋰離子電容器的簡介

a)能量與充電時間的關系圖, b)結構示意圖, c)電位窗口, d)電極材料的研究進展, e)能量計算圖

圖2 電池材料中的贗電容行為

a, b)無定型二氧化鈦, c, d)三氧化鉬

圖3?具有贗電容行為的Nb₂O₅, VN在LIC中的應用

a-d) Nb₂O₅材料的制備過程, 循環伏安曲線,LIC循環伏安和充放電曲線；e-h)VN材料的制備過程, 循環伏安曲線,LIC的循環伏安和充放電曲線

圖4?具有贗電容行為的TiC, V₂O₅在LIC中的應用

a-c) TiC材料的制備過程, 循環伏安曲線, TiC為負極的LIC的能量-功率曲線；d-f) V₂O₅電極的電容貢獻, SEM圖片, 循環伏安曲線

圖5 具有贗電容行為的H₂Ti₆O₁₃, MnO在LIC中的應用

a) H₂Ti₆O₁₃電極的循環伏安曲線, ?

b)H₂Ti₆O₁₃電極的峰電流與掃速的線性關系,

c)MnO@GNS電極的峰電流與掃速的線性關系,

d) MnO@GNS為負極的充放電曲線, ?

e)碳納米片/ MnO的制備過程, ?

f)碳納米片/ MnO電極的峰電流與掃速的對數值的關系圖

圖6?層狀氧化物在鈉離子電容器中的應用

a, b)V₂O₅,c, d) Nb₂O₅@C/rGO, e) Na-doped TNT, f) C-NVP.

圖7 Ti₂CT_x MXene在鈉離子電容器中的應用

a)反應機理,b, c)TEM圖,d)半電池下的充放電曲線, NIC的e)充放電曲線與f)循環壽命.

圖8 V₂CT_x MXene在鈉離子電容器中的應用

a)反應機理,b)半電池下的充放電曲線, c)充放電至不同電壓下的XRD圖, d)循環壽命

圖9 LIC與NIC的能量-功率對比圖

【結論展望】

本文主要闡述了具有贗電容行為的負極材料在鋰離子電容器中應用的優勢，詳細分析了Nb₂O₅, VN, TiC, V₂O₅, H₂Ti₆O₁₃,MnO等材料在鋰離子電容器中的具體應用，并總結了鈉離子電容器的最新進展，進而展望了未來混合金屬離子電容器的研究方向：1)納米陣列結構，2)柔性電極，3)固態，4)更多關注低成本的鈉離子電容器。

原文鏈接：Huanwen Wang#,Changrong Zhu#,Dongliang Chao#,Qingyu Yan,Hong Jin Fan, Nonaqueous Hybrid Lithium-Ion and Sodium-Ion Capacitors, 2017, DOI: 10.1002/adma.201702093.

共同作者信息介紹：

王歡文，中國地質大學（武漢）教授。2008年和2011年于西北師范大學分別獲學士和碩士學位，2014年于同濟大學化學系獲博士學位，2015.03 ~2016.09于新加坡南洋理工大學材料系和物理系從事博士后研究（合作導師：范紅金教授、顏清宇教授）；2016年9月至今就職于中國地質大學（武漢）材化學院，主要從事新型電化學儲能與電催化的研究工作，目前已在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Energy等期刊發表SCI論文~50篇，其中有9篇入選“ESI高被引論文”，論文總引用1567次，單篇最高引用207次。

朱昌榮，博士，自2012年開始攻讀南洋理工大學博士學位師從納米電極材料專家范紅金教授，2015年于加州大學圣迭戈校區進行研究學習（師從Shirley孟穎教授），現為新加坡國立大學博士后研究員。研究方向主要是：納米材料柔性儲能及先進電極材料，及3D打印在能源中的應用。其系列研究結果已成功發表于Adv. Mater., Nano Lett., Nano energy等。ESI高被引6篇；總的他引次數近900次。參加眾多國際會議并多次獲得最佳海報獎。

晁棟梁，博士，自2013年開始攻讀南洋理工大學博士學位師從石墨烯專家ZeXiang Shen教授，2016年于加州大學洛杉磯校區研究學習，師從電池專家Bruce Dunn教授。現為南洋理工大學HongJin Fan教授課題組博士后。研究方向主要是：石墨烯基復合材料柔性儲能及先進電極材料。提出合金化贗電容分析機制，其系列研究結果已成功發表于眾多期刊，如：Nat.Commun.,Adv. Mater., Nano Lett., Nano Today, ACS Nano等。其博士期間共發表SCI論文40余篇，ESI高被引12篇，熱點論文1篇，引用近2000次。

通訊作者信息介紹：

Qingyu Yan?is currently an associate professor in School of Materials Science and Engineering in Nanyang Technology University. He obtained his BS in Nanjing University. He finished his Ph.D. from State University of New York at Stony Brook. After that, he joined Rensselaer Polytechnic Institute as a postdoctoral research associate. He joined the School of Materials Science and Engineering of Nanyang Technological University as an assistant professor in early 2008 and became an associate Professor in 2013. His research efforts have been mainly devoted to two areas: i) advanced electrode materials for energy-storage devices; and ii) highefficiency thermoelectric semiconductors.

Hong Jin Fan?is currently an associate professor at Nanyang Technological University (NTU). He received his Ph.D. from the National University of Singapore in 2003, followed by postdoc at Max-Planck-Institute of Microstructure Physics, Germany, and University of Cambridge. His research interests include semiconductor nanowires and related heterostructures, energy conversion, and electrochemical storage applications of nanomaterials (including photolysis and electrolysis of water, batteries, and supercapacitors).

本文由南洋理工大學范紅金(Fan Hong Jin)和顏清宇課題組供稿，材料牛整理編輯。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

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