工业和信息化部主管

同济大学郑俊生副研究员和郑剑平教授团队在锂离子电容器研究取得新进展

【引言】

锂离子电容器(LIC)是新一代的混合型储能器件,负极采用LIB材料,正极采用SC材料,因此同时具备锂离子电池(LIB)和超级电容器(SC)的优势。由于正负极储能机制的巨大差异,正负极的电化学性能表现出巨大的不对称性,导致当前的LIC体系无法同时满足高比能量、高比功率和长循环寿命的电话线特性。根据超级电容器充放电过程中的正负极的反应特点,理想的LIC电极应该满足一下几个方面的要求:(1)负极材料应具备低的工作电压和高比容量,能够使LIC器件发挥出高的电压和比能量;(2)负极材料应具备好的循环稳定性,保证器件的循环寿命;(3)正极材料应具备高的比容量,提升器件的能量密度。根据以上要求,大量的LIC体系被报道,负极包括石墨,Li4Ti5O12,以及Si等,正极包括CNT,石墨烯,多孔碳等,但是这些体系仍然无法完全满足LIC对电极的要求。

【成果简介】

近日,同济大学郑俊生副研究员(通讯作者)和郑剑平教授(通讯作者)团队联合北京化工大学向中华教授团队在国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A (JMCA,影响因子9.93)发表题为“Toward high energy-density and long cycling lifespan lithium ion capacitors: a 3D carbon modified low-potential Li2TiSiO5 anode coupled with a lignin-derived activated carbon cathode"的论文,第一作者为同济大学博士生金黎明。研究人员制备了3D碳材料修饰的Li2TiSiO5(3DC@LTSO)作为负极,木质素炭化-活化制备的活性炭(LDAC)作为正极。3DC@LTSO具备较低的放电平台(0.28V),较好的倍率性能和循环稳定性,同时具备LIC负极材料的应用需求,LDAC具备高的比表面积能够发挥出高的比容量,极好的倍率性能和循环稳定性,是同时具备LIC正极材料的应用需求。同时,本文根据3DC@LTSO的充放电特点,提出准原位的EIS评估负极的最佳工作电位区间,从而实现的正负极的合理匹配。通过正负极材料设计和正负极电极间的合理匹配,LDAC//3DC@LTSO表面出高的比能量(115.3Wh kg-1),高的比功率(6560 W kg-1) 和极好的循环寿命(6000次循环容量保持在90%)。本文涉及的材料选择、合成和电极匹配策略对LIC进一步的研究都具有很好的借鉴价值。

【全文解析】

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图1. 3DC@LTSO的(a)合成过程示意图;(b)XRD测试;(c)碳含量测试TGA图;(d-e)不同放大倍数的SEM图像;(f-h)不同放大倍数的TEM图像。

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图2. 3DC@LTSO和LTSO的(a)循环伏安CV对比图;(b)交流阻抗(EIS)对比图,(c-e)电子、离子传输系数对比图。

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图3. 3DC@LTSO的(a)充放电曲线;(b)电位分布分析;(c)倍率性能;(d)倍率充放电曲线;(e)循环性能。

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图4. (a)LDAC的合成过程示意图;(b-c)不同放大倍数的SEM图像;(d-e)不同放大倍数的TEM图像;(f)LDAC的孔径分布图;(g-h)LDAC XPS测试的C1s和O 1s谱图。

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图5. (a-b)LDAC的循环伏安测试图;(c)LDAC的倍率曲线;(d)LDAC的倍率性能;(e)LDAC的循环稳定性。

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图6. (a)3DC@LTSO的充放电曲线;(b-c)充放电过程中的准原位EIS测试图;(e-f)阻抗分析图;(g)3DC@LTSO的最佳工作电位区间。 

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图7. (a)LIC器件示意图;(b)LIC电极匹配示意图;(c-d)LIC器件的充放电曲线;(e)Ragone Plot关系图;(f)LIC的循环稳定性。

【总结与展望】

LIC是新一代的电容型储能器件,在能量密度、功率密度和循环寿命上均存在提升空间。对电极材料的设计应紧扣LIC正负极充放电过程机制,同时注重正负极的匹配研究,有望同时提升LIC的综合性能。

Jin, Liming, et al. "Toward High Energy-density and Long Cycling-lifespan Lithium Ion Capacitor: A 3D Carbon Modified Low-potential Li2TiSiO5 Anode Coupled with A Lignin-derived Activated Carbon Cathode." Journal of Materials Chemistry A(2019).

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