碳材料在钠离子电容器中的应用

2020-02-21谢松伯杜海蓉王文倩谷丹丹胡晓炜

云南化工 2020年5期

谢松伯，吴兵，杜海蓉，王文倩，谷丹丹，胡晓炜*

（临沂大学化学化工学院，山东临沂 276000）

目前快速发展的航空航天，电动汽车，轨道交通等领域对储能器件提出了兼具高功率密度、高能量密度以及长循环寿命的要求[1]。钠是地壳中含量最为丰富的元素之一，约为2.74%，居第六位。同时，钠元素与锂元素处于同一主族，具有相似的物理化学性质和电化学储能机制。除了钠取代锂，钠离子电容器的结构、组件、体系、电荷存储机制与锂离子电容器基本相同[2-4]。因此从长远来看，发展钠离子电容器是非常具有前景的。

1 钠离子电容器

目前钠离子电容器研究中比较活跃的以活性碳为代表的负极材料和以Nb2O5[5]， MXene[6]，TiO2[7]，V2O5[8]为代表的正极材料组成的不对称型钠离子电容器的能量密度和功率密度远低于实际需求。究其原因在于电容型电极与电池型电极的电容与储能动力学相差甚远，匹配性不佳，不能发挥协同效应。同时，过渡金属化合物材料倍率低、结构稳定性差、成本高、对环境有害等问题也限制了不对称型钠离子电容器的发展[9]。相比而言，“双碳”型钠离子电容器，即正负电极材料均使用碳基材料，避免了过渡金属化合物的使用，缓解了两电极动力学匹配性不佳的问题而成为钠离子电容器研究的热门选择。

电极材料是决定“双碳”型钠离子电容器能量密度、功率密度、倍率性、循环寿命、成本及安全性非常重要的因素。Mitlin等科学家[10]以聚吡咯水凝胶为前驱体制备N（13%）和O（11%）双原子掺杂碳负极材料，比表面积达到945 m2/g，杂原子掺杂既提供足够的储电位点又改善碳骨架的孔结构，同时微孔和介孔的存在为杂原子和石墨烯缺陷位吸附离子提供了有利条件。该负极材料在1.6 A/g的大电流密度下容量达到185 mAh/g。Mitlin等科学家[11]以花生皮为前驱体制备具有分层次的微孔-介孔-大孔无序结构的纳米片状碳材料，独特的分级多孔结构有利于离子快速传输，丰富的缺陷位点也可提升材料的储钠比容量。作为正负极，在2.7～4.2 V电位窗口内，材料的比容量分别为100 mAh/g和461 mAh/g，同时相较于具有较少分级多孔结构的对比样品，该材料具有更高的倍率和循环稳定性能。南开大学卜显和课题组[12]以金属有机骨架化合物（Metal Organic Framework，MOF）为前驱体，制备了具有分级结构、氮掺杂的二维碳片材料，作为钠离子电容器正极材料，在10 A/g高电流密度下，材料比容量为150 mAh/g，充放电循环1000圈，容量保持率为72.8%。以上报道说明经过设计制备分级结构碳电极材料能够有效提高“双碳”型钠离子电容器的电容性能。

2 制备优化材料结构构

大量研究表明，制备优化材料结构构筑特殊形貌（中空、核壳等）和增大层间距能够有效提高“双碳”型钠离子电容器的循环稳定性。华南理工大学王海辉课题组[13]制备了具有高比表面积的氮掺杂中空碳纤维，当用作钠离子电容器负极材料时可表现出插入和电容型混合储能机制，比容量高达230 mAh/g。当用AC为正极时，所得钠离子电容器的最高能量密度和功率密度分别为108 Wh/kg和9 kW/kg，2000次循环之后容量保持率为70%。中国科学院兰州化物所阎兴斌课题组[14]采用柠檬酸钠作为唯一前驱体，一步煅烧得到具有三维结构、宽层间距、高导电性的薄层碳材料。上述材料经KOH进一步活化后作为正极材料，所得“双碳”型钠离子电容器在能量密度与功率密度两方面都有较好表现，并表现出较优秀的循环稳定性。