Nano Lett.：通過調控碳材料的化學環境獲得具有“高壓、高能、高功、高壽命”的新型全碳鋰離子電容器

【引言】

鋰離子電容器（LIC）綜合了鋰離子電池和超級電容器的特點，有望獲得良好的功率密度、能量密度和循環壽命，具有極大應用前景。LIC的正負極通常具有不同的電荷存儲機理，導致正負電極之間的反應動力學速率及循環穩定性不一致。為了解決兩電極之間電荷傳遞動力學及壽命的匹配問題，LIC的電極材料除了提高正極材料的比容量之外，負極材料還應有良好的倍率與循環性能，以及較低的放電平臺來保證LIC的高電位窗口。目前對LIC的研究多側重于正負極的不同組合及優化，但這些混合體系很難同時實現能量密度、功率密度及循環壽命的協同改善。構建對稱鋰離子電容器，利用納米技術、摻雜技術及復合材料技術等，有望獲得優異的綜合性能。

【成果簡介】

近日，加州大學洛杉磯分校盧云峰教授和哈爾濱工業大學高繼慧教授（共同通訊作者）研究團隊報道了一種高濃度氮摻雜的碳納米球（ANCS）組裝的LIC。摻雜優化了碳微晶結構的堆積參數、提高了碳材料的活性點，進而提高了正負極材料對Li⁺和PF₆^–的存儲活性。將ANCS和預鋰化的ANCS組成全碳LIC，獲得了具有4.5 V的高工作電壓，其性能勝過之前所報道過的LIC，在高倍率循環穩定性方面尤其突出。該成果以 “In Situ High-Level Nitrogen Doping into Carbon Nanospheres and Boosting of Capacitive Charge Storage in Both Anode and Cathode for a High-Energy 4.5 V Full-Carbon Lithium-Ion Capacitor” 為題于4月30日刊發在Nano letters上，第一作者為哈爾濱工業大學能源學院孫飛博士。

【圖文導讀】

圖一 ANCS顆粒的形成示意圖及形貌、成分分析

（a）ANCS形成過程示意圖

（b）ANCS顆粒的SEM圖。插圖為ANCS顆粒的TEM圖

（c）ANCS顆粒的HRTEM圖。插圖為對應的FFT圖

（d）ANCS的HAADF-STEM圖以及對應的C，N和O元素的EDS mapping

?圖二 ANCS和CS（非氮摻雜碳納米球）的結構成分分析

（a）ANCS的氮氣等溫線及對應的NLDFT孔尺寸分布

（b）ANCS和CS的XRD圖。插圖是放大的XRD圖。插表是根據謝樂公式計算的碳微晶參數

（c）氮摻雜前后的碳層模型及其參數的示意圖

（d）ANCS和CS的拉曼光譜

（e）ANCS和CS的XPS全掃譜圖

（f）ANCS的氮1s高分辨XPS譜圖。插圖是氮摻雜碳的表面模型

?圖三 組裝成半電池的電化學性能

（a）ANCS負極在0.02-3.0 V對鋰電勢范圍內以0.5 mV s^-1掃描速度下的典型CV曲線

（b）ANCS負極在0.1 A g^-1電流密度下第一、第二、第三次的充放電曲線

（c）ANCS和CS負極的倍率性能

（d）ANCS和CS電極的交流阻抗圖

（e）ANCS負極在2 A g^-1電流密度下的循環穩定測試圖

（f）ANCS正極在2.0-4.5 V對鋰電勢范圍內不同電流密度下的充放電曲線

（g）ANCS正極在2 A g^-1電流密度下的循環穩定測試圖

?圖四 以1 M TEABF4-AN為電解液 在3V工作電壓下ANCS-EDLC（ANCS雙電層電容器）和CS-EDLC（碳納米球雙電層）的電化學性能

（a）不同掃描速度下ANCS-EDLC的CV曲線

（b）在50 mV s^-1掃描速度下ANCS-EDLC和CS-EDLC的CV曲線

（c）不同電流密度下ANCS-EDLC的恒電流充放電曲線

（d）在2 A g^-1電流密度下ANCS-EDLC和CS-EDLC的恒電流充放電曲線

（e）ANCS-EDLC和CS-EDLC的交流阻抗圖

（f）ANCS-EDLC和CS-EDLC的能量密度圖

?圖五 ANCS//ANCS LIC的工作機理和電化學性能（ANCS在負極和正極的負載量分別為1.2和3.6 mg cm^-2）

（a）工作機理示意圖

（b）在電壓范圍0-4.5V范圍內不同掃描速率下的典型CV曲線

（c）不同電流密度下恒電流充放電曲線

（d）與文獻已報道的能量密度的對比圖

（e）在4 A g^-1電流密度下ANCS//ANCS的循環性能。插圖是在2 A g^-1電流密度下石墨//ANCS的循環性能

（f）ANCS//ANCS和石墨//ANCS的電壓降-電流密度坐標圖

【小結】

本文介紹了一種具有優異性能的新型全碳鋰離子電容器。該LIC以高濃度氮摻雜的無定型多孔碳球同時用為正負極材料，高濃度氮摻雜增加了碳球的活性點，使其用作正負極材料可以提供更多的電容性電荷存儲容量，這有效地化解了負極儲Li⁺和正極儲PF₆^-的電化學動力學及穩定性矛盾，實現了負極的高倍率長壽命和正極的高容量，展現了高壓全碳對稱鋰離子電容器的發展潛力和應用前景。該工作可為通過調控碳納米材料的化學環境來設計高壓鋰離子電容器提供思路。

文獻鏈接： In Situ High-Level Nitrogen Doping into Carbon Nanospheres and Boosting of Capacitive Charge Storage in Both Anode and Cathode for a High-Energy 4.5 V Full-Carbon Lithium-Ion Capacitor (Nano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00134)

團隊相關研究介紹：盧云峰教授研究團隊長期從事電化學儲能材料及器件研發相關工作，近兩來在碳基材料微納結構定向調控及其在電化學儲能方面的應用，特別是碳材料化學環境的改善及其在超級電容器、鋰離子電池、電催化、氣體吸附等方面的性能優化及機制揭示方面開展了較為深入的研究工作，相關研究已發表Adv. Energy. Mater., 2017, 7?(22)?:1701154, Nano Energy, 2016?,?21,80, Nano Res., 2016, 9(11), 3209, JMCA, 2016, 4(47): 18248.

本文由材料人編輯部新能源組馬元整理編輯，點我加入材料人編輯部。

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