科研学术

　　近日，材料与能源学院吴孟强教授领衔的先进电能源技术研究中心在国际著名期刊《Advanced Science》上发表题为：“Direct Structure - Performance Comparison of All-Carbon Potassium and Sodium Ion Capacitors”（“全碳钾/钠离子电容器结构和性能对比”）的研究论文。先进电能源技术研究中心教师徐自强副研究员和博士生陈治为该论文的共同第一作者，材料与能源学院为第一作者及第一通讯单位，先进电能源技术研究中心吴孟强教授、美国克拉克森大学David Mitlin教授为联合通讯作者。

　　《Advanced Science》是Wiley旗下涵盖工程学、材料科学、医学以及生命科学领域基础与应用研究的国际著名期刊杂志之一，收录了该领域最前沿的优秀论文，2018年影响因子为12.441。

　　能源可持续发展是21世纪人类面临的主要挑战之一，化石能源过度使用引发的一系列严重环境问题使人类必须要考虑加快发展和利用可再生能源，将传统燃油车船以及空航机车动力系统电动化将是一个有效的途径，其中重要便是可再生能源的存储与转化应用。目前，两种商用的电化学储能器件是二次电池（如锂离子电池，能量密度：约120～200Wh/Kg、功率密度：约300～500W/Kg）和超级电容器（能量密度：约5～10Wh/Kg、功率密度：约10～50KW/Kg）。前者提供高能量密度，让机车跑得远，而后者提供高功率密度，让机车跑得快、充电快。

　　先进的电能存储设备目标是在一个系统中同时提供高能量和大功率，人们开展了“二次电池-超级电容器”复合能源系统的设计与实践，其中，高比能量的二次电池保障机车平稳功率输出时能量供给，超级电容器满足机车峰值功率需求（如启动、加速、爬坡与制动能量回收等工况），以避免二次电池经受强制高功率输出而延长寿命。然而，这种单体复合式能源方案增加了系统的复杂性，需要外加昂贵的电源管理，且不可避免地增大装备体积。为简化起见，本世纪初人们尝试在单一电化学储能器件中实现电池与超级电容器功能单元的复合，提出了Ultabattery（超级电池）的设想。近年来，离子电容器作为一种介于高能量密度的二次电池和高功率密度的超级电容器之间的新型电化学储能器件，越来越多地受到科学界与工程界的关注。

图1 钠/钾离子电容器对比示意图

　　钠/钾离子储能作为锂离子储能系统的一种潜在低成本替代品，正引起人们的兴趣。锂在地壳中的储量为20ppm，钠(Na)和钾(K)分别为23000ppm和17000ppm。同时由于K+/K (-2.93 V vs SHE)的氧化还原电位低于Na+/Na (-2.71 V vs SHE)的氧化还原电位，基于钾离子的储能器件将比基于钠离子的储能器件具有更高的工作电压。K+相对于Li+或Na+的路易斯酸较弱，使其具有较低溶剂化离子的Stokes（斯托克）半径，获得更高的离子传输数量和更高的迁移率，对于高倍率应用储能器件而言，K+在电解质中的输运也应该具有优势。鉴于此，吴孟强教授团队以硬碳和活性炭为离子电容器正负极材料，分别制备全碳钠/钾离子电容器，从结构与性能的构效关系入手，对比研究钠/钾离子的充放电机理以及性能表现。

　　如图2所示，此工作通过CV、恒流充放电、Ragone图以及长循环特性的对比，研究了全碳体系钠/钾离子电容器的性能区别。从CV对比中可以看出A-HIC-K的CV曲线形状和阳极电流中近45°的斜率，表明其具有更高阻抗。在恒流充放电表现中，即使在0.4A/g的低电流密度下A-HIC-K也有较大的压降，说明其在HC阳极的动力学性能差于A-HIC-Na。对比两种器件的Ragone图可以看出，功率密度在2.8KW/kg时，两种电容器能量密度分别为170Wh/kg和77Wh/kg，在功率密度达到20KW/kg以上时，A-HIC-Na仍具有93Wh/kg的能量密度，表明A-HIC-Na在HC//AC体系中具有明显的优势，同时HC//AC体系中A-HIC-Na也具有长循环优势。该研究为下一代“双高”（高能量密度和高功率密度）全碳系离子电容器的研究与应用提供了一个新的参考。

图2 基于K+和Na+的非对称混合离子电容器的性能比较

　　我校是国内最早开展双电层型超级电容器研究的单位之一，可追溯到上个世纪80年代初。2014年，吴孟强教授牵头成立了“先进电能源技术研究中心”团队，致力于能源转换与存储领域交叉性科学问题与技术的研究，主要包括高性能超级电容电池、高比能锂离子电池、下一代高比能锂/氧族电池、高安全固态电池、前瞻性钠/钾离子电池、多功能石墨烯、气凝胶和柔性可穿戴电子/离子器件等领域，特别是近年来提出了“拓扑储能”的构想，着力于“双高”（高比能量、高比功率）、长寿命、高安全的超级电容电池研究与应用，相关研究成果陆续发表在Advanced Functional Materials、Nano Energy、ACS Energy Letters、Advanced Science、ACS Applied Materials & Interface、Carbon等能源及纳米材料领域高水平期刊上。

　　论文链接:

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802272