厦大团队攻克双电层电容储能瓶颈

近日，厦大材料学院彭栋梁、魏湫龙团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表重磅研究成果，通过创新“电化学驱动溶剂化结构部分脱溶”机制，让溶剂化钠离子在多孔碳的纳米孔中实现高效双电层电容吸附，使多孔碳负极的比容量达到508C/g，据此组装的混合钠离子电容器软包电芯能量密度达40Wh/kg（较当前商用超级电容器提升4倍），且实现70秒超快充电、30000圈稳定循环的优异性能，为规模化电网储能、AI计算中心等高功率需求场景提供突破性解决方案。

据介绍，商用超级电容器的能量密度较低，难以满足规模化电网储能等对高功率输出有严格要求的应用场景需求。其能量密度不足主要受制于两个原因：一是超级电容器依靠电极表面的双电层电容机制储能，电荷存储容量有限；二是为避免电解液分解形成固体电解质界面膜造成的双电层电容吸附失效，其工作电压窗口较窄。

面对这一挑战，厦大研究团队发现，在钠基醚类电解液中，多孔碳负极即便在低电压条件下形成的电解质界面膜也能让溶剂化钠离子一起进入微小的纳米孔道内进行双电层电容吸附，并且不断增大的工作电压窗口驱动着溶剂化钠离子发生部分脱溶剂化过程，其平均溶剂化数从2.1逐步降至0.6，从而使孔内的溶剂化钠离子更贴近碳材料表面，大幅提升了双电层电容电荷存储容量。

因此，在比电容与工作电压窗口的“双重提升”下，多孔碳负极获得了508C/g（即141mAh/g，商业化超级电容器的电极比容量约为135C/g）的超高比容量，同时保持了超级电容器的充放电速率快、寿命长等优点。根据这一创新机制，研究团队组装了以多孔碳为负极、磷酸钒钠为正极的混合钠离子电容器软包电芯，具有40 Wh/kg的能量密度（基于整体电芯的质量），并可在70秒的快速充放电速率下稳定循环30000圈以上。相比目前市场上已有的锂离子电容器，这种钠离子电容器不需要复杂的预处理步骤，工艺更简单、成本更低，适合需要快速充放电、长寿命的储能场景。

该研究工作在魏湫龙副教授、彭栋梁教授和大连化物所钟贵明副研究员的指导下完成，厦门大学材料学院博士生范思成、博士生燕泽锐和硕士生王彬豪为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等以及厦门大学表界面化学全国重点实验室、大连化学物理研究所、辽宁滨海实验室的支持。

来源丨福建日报