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2019-07-03
??近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其團隊聯(lián)合湖南大學馬建民教授研發(fā)出基于氮硫共摻雜空心納米帶的鈉離子電容器，并獲得了高容量和長循環(huán)壽命。在5A/g的高電流密度下循環(huán)10000次后，容量保持率接近100％。相關(guān)研究成果以“Hollow Carbon Nanobelts Co-Doped with Nitrogen and Sulfur via a Self-Templated Method for a High-Performance Sodium-Ion Capacitor（自模板法制備氮硫共摻雜空心納米帶用于高性能鈉離子電容器）”為題在線發(fā)表于國際著名材料期刊Small上（DOI: 10.1002/smll.201902659，IF:10.856）。
鋰資源儲量有限，且分布極為不均，使得其成本較高，從而限制了其在儲能等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。由于鈉儲量豐富、與鋰接近的電化學特性，使得鈉離子儲能器件在規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近來，因兼具廉價和高功率密度的特點，鈉離子電容器受到了人們的廣泛關(guān)注。鈉離子電容器通常采用具有較高比表面積的碳材料作為正極，通過陰離子的表面吸附實現(xiàn)儲能。然而，僅僅依靠這種界面雙電層儲能機理的正極材料容量十分有限，如能同時引入贗電容的儲能機制，將極大提高鈉離子電容器的綜合性能。
基于上述考慮，唐永炳研究員與馬建民教授及其團隊成員崔春雨、王恒、歐學武等人通過自模板法制備出一種氮硫共摻雜的空心碳納米帶材料。這種具有高比表面積的空心結(jié)構(gòu)有利于陰離子的遷移和吸附，從而獲得一定的吸附容量和高的倍率性能；而通過氮硫共摻雜能夠貢獻一定的贗電容容量，進一步提升正極材料的比容量。以氮硫共摻雜的空心碳納米帶結(jié)構(gòu)作為正極，錫箔作為負極組裝新型的鈉離子電容器，在1 A/g的電流密度下的放電比容量達到400 mAh/g；將電流密度提升至10 A/g，該電容器的容量依然可以保持在155 mAh/g左右。此外，采用錫箔同時作為負極活性材料和集流體，簡化了鈉離子電容器的整體結(jié)構(gòu)，進一步提高了電容器的能量密度，該鈉離子電容器全電池在676 W/kg功率密度下，能量密度高達250 Wh/kg左右。該工作為發(fā)展高性能鈉離子儲能器件提供了新的思路。
該項研究得到了國家自然科學基金優(yōu)青項目、廣東省科技計劃和深圳市科技計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201902659
鈉離子電容器的結(jié)構(gòu)及工作示意圖及其長循環(huán)性能
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