巧妙的設計——“多快好省”的新型儲能器件！

材料牛注：一般的能量存儲器件無法同時實現大容量與快速充放電等多方面要求。佐治亞理工學院的研究者們在多孔活性炭（AC）中生成了陽極納米顆粒鈦酸鋰（LTO），同時實現電池的大容量及超級電容器的快速充放電特性，仿佛抓住了一只比卡丘。

本質上，電能儲存裝置在能量和功率密度之間面臨著艱難抉擇。雖然較超級電容器而言，傳統的鋰離子電池可以儲存更多的能量，但充電時間很長且不能將電瞬間釋放。因此，最終的解決方案可能在于一種混合方法：為什么不把陽極設計成電池，陰極設計成電容器呢？佐治亞理工學院的研究小組最近設計了一個優化后的非對稱解決方案，兼顧兩種電荷存儲機制的優點。

據課題組長Gleb Yushin所言，在研究中將具有電化學活性的納米晶體嵌入多孔碳顆粒中，獲得了高性能的電池電極。這種結構在超快充電和高能量密度的儲能器件方面顯示出巨大的潛力。

Yushin說：“成功合成的關鍵是要確保納米晶體不阻礙通過貫通孔道的電解質。盡管最初的研究主要集中在如何將鋰離子插入狹窄的納米晶體中，但是該方法也許能同樣適用于其他金屬離子（Na,K,Ca,Cs 等），從而為構造高功率器件提供多種選擇，以滿足快速增長的產業需求。”團隊成員Enbo Zhao補充說：“我們的成果論證了一種合成納米復合粉末的方法，它簡單、可擴展且可廣泛應用，能夠輕松替代商業化的超級電容器或電池的產品線。

Yushin與佐治亞理工的團隊成員Zhao和Seth Marder，以及黑龍江大學（中國）和Sila Technologies公司的合作者，在期刊ACS Nano.最近一期發表了他們的成果。研究專注于陽極材料鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂（LTO）。研究人員直接在多孔活性炭顆粒中生成了LTO納米顆粒。該方法顯著提高了陽極顆粒間的電導率，且將LTO疇的晶體大小有效地控制在0.5~4 nm。Yushin團隊依靠微調中孔活性炭和控濕化學方法，在氣孔中沉積LTO前驅體，通過熱合成最終制得尖晶石相。這種方法最大程度地將陽極暴露在電解質中，保持了高的表面積（超過1300 m²/g），使得快速充/放電的電化學操作得以實現。

在非對稱單元設計中，佐治亞理工團隊用LTO-碳復合材料作為電池的陽極（用于鋰離子插入），用標準的多孔活性炭作為超級電容器的陰極（用于離子電吸附）。制成的混合電池/電容器可存儲異常高的能量，甚至在350°C時還能保持高額定容量和高充放電速率（超過100 mAh/g，LTO）。該設備完全充滿電只需6秒，其能量和功率密度以及系統容量，輕松超過了以往的非對稱電容器，并且論證了LTO在混合儲能設計中的可行性。

德雷塞爾大學的Yury Gogotsi未參與本研究。他評價說：“發展儲能新材料將成就更好的電池和電化學電容器，為非常耗能的器件供電。而且重要的是，要使用可擴展的、廉價的、并且可以大規模制造的材料。”

這些研究結果表明了納米材料封裝的重要性，以及為獲得更高性能而顯著優化儲能納米結構的能力。雖然許多先前的研究已經描述了LTO作為陽極材料的性能，但本研究采用一個可擴展且簡便的方法來證明這種材料的潛力。未來的儲能設計，特別是在汽車和公共交通系統中，將需要可靠、高效且快速充放電的解決方案。類似的具有非對稱電極的混合電池/電容器設計，可能成為應對高能量密度和快速電力傳輸兩大挑戰最好的解決辦法。

參考原文鏈接：Nanocrystals embedded in nanoporous carbon increase energy-storage capacity。

文獻鏈接：Lithium Titanate Confined in Carbon Nanopores for Asymmetric Supercapacitors。

本文由編輯部顧玥提供素材，房馳編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。