鋰離子電池和超級(jí)電容器是常用的電化學(xué)儲(chǔ)能器件。傳統(tǒng)鋰離子電池受限于遲緩的體相反應(yīng)，功率性能較差；超級(jí)電容器利用快速表面過(guò)程存儲(chǔ)電荷，能量密度較低，這兩個(gè)“種子選手”并不適用于對(duì)能量和功率密度都有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)在混合型電化學(xué)儲(chǔ)能器件研制方面取得新進(jìn)展，構(gòu)建出具有與鋰離子電池類(lèi)似的搖椅式工作機(jī)理的電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件，并通過(guò)電極容量和動(dòng)力學(xué)“雙匹配”策略，實(shí)現(xiàn)了器件的能量和功率密度“雙高”。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》。

“將電池電極和超級(jí)電容器電極集成在一個(gè)器件內(nèi)，結(jié)合兩種儲(chǔ)能機(jī)理的優(yōu)點(diǎn)，獲得能量和功率密度‘雙高’的電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件并不是一個(gè)全新的想法。事實(shí)上，不少?lài)?guó)際團(tuán)隊(duì)正在為之努力。” 吳忠?guī)浾f(shuō)。

以往，研究人員主要使用電池型負(fù)極和雙電層電容型正極，但基于此構(gòu)建的器件構(gòu)型充放電過(guò)程所需的離子由電解液提供，導(dǎo)致電解液用量大。此外，電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件的性能還受到電池型電極和電容型電極之間極不匹配的電荷存儲(chǔ)容量和電極動(dòng)力學(xué)因素的嚴(yán)重制約。

該研究中，團(tuán)隊(duì)選取具有本征鋰離子插層贗電容性質(zhì)的正交五氧化二鈮為負(fù)極，鎳鈷鋁三元氧化物鋰離子電池材料為正極，讓鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回穿梭，構(gòu)建了搖椅式鋰離子電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件。該器件中，正負(fù)極皆擁有來(lái)自氧化還原反應(yīng)的高容量。此外，負(fù)極的多孔納米花結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電解液的浸潤(rùn)和傳輸，提升電極倍率性能。但納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高壓正極可能會(huì)帶來(lái)非活性表面重構(gòu)以及不穩(wěn)定的電極/電解液界面等問(wèn)題，為此研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了一個(gè)由一維碳納米管、二維電化學(xué)剝離石墨烯以及導(dǎo)電聚合物黏結(jié)劑構(gòu)成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以協(xié)同降低充放電過(guò)程中的內(nèi)阻和極化，最終使正負(fù)極具有高度匹配的容量和倍率性能。

據(jù)介紹，該儲(chǔ)能器件的性能優(yōu)于以往報(bào)道的具有搖椅式構(gòu)型的鋰離子電池—超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能器件，同時(shí)也優(yōu)于電極容量或動(dòng)力學(xué)不匹配的其他混合儲(chǔ)能器件，為“雙高”混合儲(chǔ)能器件的構(gòu)型設(shè)計(jì)和電極優(yōu)化策略提供了新思路。