鋰電網訊：日前，南開大學材料科學與工程學院教授周震課題組尋找到二氧化鈦/碳納米管這種具有快速反應動力學的復合負極材料，并以校園中脫落的樹葉為原料，制備出高效的正極材料，大大提高了鈉離子電容器整體性能，相關成果發表在《先進能源材料》。
鈉離子電容器作為一種新型的儲能器件，兼顧了電池高能量密度和超級電容器高功率密度的優點，近年來受到了廣泛關注，但還存在著成本高、材料利用率低、倍率性能及循環穩定性不足等問題。此外，現有鈉離子電容器正極材料單位重量中能量存儲量要遠遠小于負極，要想使二者具有相同儲電量，就不得不制作大而厚重的正極，這一點也限制了鈉離子電容器在儲能領域的廣泛應用。
“作為負極材料，要求其具有低電位，而正極需要具有高電位，這樣組成電池或電容器的電壓才能高。”周震介紹。團隊就地取材，以南開大學津南校區梨樹葉為原料，制備了擁有高比表面積的生物質碳材料作為吸附型正極。現有鈉離子電容器多以商業活性炭為正極，與商業活性炭相比，這種以樹葉制備的生物質碳材料表現出了對陰離子快速的吸脫附特性和突出的循環穩定性，能夠提升存儲電量和充放電速度。
周震課題組通過靜電紡絲技術，引入碳納米管，設計制備了二氧化鈦和碳納米管均勻分散于碳材料中的納米棒，作為嵌入型負極。“我們利用二氧化鈦構建鈉離子電容器，二氧化鈦較低的儲鈉電位和固有的贗電容特性，有效增強了混合器件的能量密度和倍率性能，大大提升了正極的儲電總量和充放電速度。”周震介紹。碳納米管的引入有效促進了離子和電子的傳輸，有效提高了材料的贗電容比例，進而帶來了更加突出的倍率性能。在半電池測試中，該材料表現出了優異的循環穩定性。
鈉離子具有較大的離子半徑，更加趨向于表面的贗電容反應。為了充分發揮這一特性，團隊將上述兩種材料通過合理匹配，組裝成了鈉離子電容器。該器件表現出很高的能量密度(81.2 W h kg-1)、優異的功率密度(12400 W kg-1)及超長的循環穩定性(1 A g-1大電流下循環5000次容量保持率為85.3%)，有效解決了現有電容器存在的正負極電化學反應動力學不匹配的問題，為鈉離子電容器的研究發展提供了新思路。
最后，研究小組通過成功驅動迷你風扇的實驗進一步證明了該鈉離子電容器擁有高的電壓輸出，為今后的實用化提供了可能。
“其實不光是樹葉，秸稈、菜葉等也可用來制作電容正極，如果規模化生產一定程度上將有利于環保事業發展。”周震介紹。
該工作得到了國家重點研發計劃項目的資助。
