Journal of Materials Chemistry A：電化學儲能新領域：多價態離子混合電容器

超級電容器具有可快速充放電、功率密度高、循環壽命長等優勢，是一種重要的電化學儲能器件，然而低的能量密度限制著其更大規模的應用；包括鋰離子電池等在內的二次電池則具有高得多的能量密度，但倍率性能和循環壽命等與超級電容器相比往往不夠理想。混合電容器（hybrid capacitors，也稱混合超級電容器）將超級電容器與電池“合二為一”，其一極為電池型電極、另一極為電容型電極，理論上兼具有超級電容器的高功率密度、長循環壽命以及電池的高能量密度等優點。早些年研究較多的鋰離子混合電容器正是這樣一種電化學儲能器件。

近些年，基于多價態離子（Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Al³⁺等）存儲理論發展的多價態離子電池如鋅離子電池、鎂離子電池、鈣離子電池、鋁離子電池等，顯示出有別于鋰離子電池的動力學、熱力學特征與電化學性能，逐漸成為電化學儲能領域的研究熱點；與此同時，作為一種新型的電化學儲能體系，多價態離子混合電容器應運而生（如圖1）。

圖1 .?多價態離子混合電容器示意圖

近日，悉尼科技大學Guoxiu Wang課題組應邀在Journal of Materials Chemistry A上發表了題為“Multivalent metal ion hybrid capacitors: a review with a focus on zinc-ion hybrid capacitors”的綜述文章，在團隊成員對多價態離子混合電容器研究基礎上（Energy Storage Materials, 2018, 13, 96；Energy Storage Materials, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.020等）、并追蹤本領域最前沿研究成果，全面闡述了多價態離子混合電容器、特別是鋅離子混合電容器的設計原理、結構、電化學行為和儲能機理，并對多價態離子混合電容器發展方向進行了展望。文章第一作者為董留兵博士。

圖2.?平板式電容器和超級電容器示意圖

圖3. 水系鋅離子混合電容器

作者首先簡要概述了超級電容器（包括雙電層電容和贗電容，如圖2）和多價態離子電池（包括鋅離子電池、鎂離子電池、鈣離子電池、鋁離子電池）儲能體系，對各個體系所涉及到的電極材料、電解質、電化學反應等做了解析。隨后，作者依次綜述了鋅離子混合電容器（ZHCs）、鎂離子混合電容器（MHCs）、鈣離子混合電容器（CHCs）、鋁離子混合電容器（AHCs）。相對來說，鋅離子混合電容器研究較多、并顯示出高安全性、超長循環壽命等優勢：按照電極類別，可分為金屬鋅基鋅離子混合電容器（如圖3）和氧化物//碳鋅離子混合電容器；按照電解質的不同，可分為水系鋅離子混合電容器、有機系鋅離子混合電容器等；水系鋅離子混合電容器具有的優異電化學性能和安全環保等優點使其有望用于微型器件和柔性可穿戴器件，作者對此一并做了綜述和討論。

文獻鏈接：Liubing Dong, Wang Yang, Wu Yang, Yang Li, Wenjian Wu, Guoxiu Wang. Multivalent metal ion hybrid capacitors: a review with a focus on zinc-ion hybrid capacitors. Journal of Materials Chemistry A, 2019, doi: 10.1039/C9TA02678A.

本文由作者供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.