周海晖教授课题组在钾离子混合超级电容器领域取得新进展

近日，云开体育·(中国)官方网站周海晖教授、罗胜联教授，英国帝国理工赵云龙教授以及北京科技大学焦树强教授合作，提出了一个整体优化策略，实现了1Ah软包钾离子混合型超级电容器(PIHCs)的制备，该软包电池显示出高达4.8V的工作电压，具有高能量密度140Wh kg−1（基于整个器件），并在6分钟内完全充电。研究成果以“Ampere-hour-scale soft-package potassium-ion hybrid capacitors enabling 6-minute fast-charging”为题发表在国际期刊《Nature Communications》上（Nat Commun 14, 6407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42108-6）。

锂的稀缺性和不断上涨的价格正在推动对经济型能源存储系统的探索。由于钾的丰富性和成本效益，钾离子能源存储系统受到了越来越多的关注。在众多体系中，钾离子混合电容器(KIHCs)，结合了电容型正极和电池型负极材料优势，有望实现高能量密度和快速充电能力。因此，推进KIHCs可以减轻锂离子电池原料价格持续增长且充电时间较长的问题。尽管如此，它们的商业化前景，特别是在软包或圆柱形电池的实际应用中，仍然受到较大的限制。

该团队采用整体优化策略，同时调节正极的表面氧化还原动力学并增强负极的离子插层及赝电容行为，采用有序氮掺杂碳纳米管阵列@介孔碳 (N-CNTs@MC)作为正极，MnO量子点嵌入的碳纳米管(MnO@CNTs)作为负极，增强了插层动力学，提高了其倍率性能；其次提出了一种无集流体和无粘结剂的方法以便消除电解液和粘结剂之间的副反应和金属集流体的腐蚀；最后通过设计电解液参数提高了电池的最高工作电压，整体电池性能得到极大提升。

图1钾离子混合超级电容器（PIHCs）的整体设计和优化策略以及与商业储能电池的比较。

首先，为了平衡电容型正极和电池型负极的容量和动力学不匹配问题，文章提议同时调节正极的表面氧化还原动力学（图1a.ii）并增强负极的离子插层及赝电容行为（图1a.iii）。基于此，有序的氮掺杂碳纳米管阵列@介孔碳 (N-CNTs@MC)作为正极，优化的孔隙度和结构可以增强容量和倍率性能，而N掺杂或缺陷工程引入的表面氧化还原赝电容可以与负极更好的兼容；MnO量子点嵌入的碳纳米管(MnO@CNTs)作为负极，MnO量子点嵌入CNT壁可以扩大碳层之间的层间距，从而大大增强插层动力学，提高倍率性能。此外，引入MnO可以同时提供更多的赝电容，进一步改善整体动力学速率，并与正极更好的兼容。匹配性更高的正、负极的结合可以同时实现高容量和高速率性能。其次，为了消除电解液和粘结剂之间的副反应和金属集流体的腐蚀，提出了一种无集流体和无粘结剂的方法，制备了正极和负极材料。这些自支撑的电极材料显示出与金属集流体相当的导电性。保持良好的倍率性能，并且减少了非活性材料的比例，最大化叠加了器件整体能量密度。此外，电解液的参数，如电解液用量对电池容量的比值（E/C比）和电解液密度，也进行了优化，提高了最高工作电压。有了这些全面的设计和优化，整体电池性能得到了很大的提升，展示出很高的应用前景。

这项工作中的电极优化策略，为开发具有高能量密度和长循环寿命的Li/Na电池和混合电容器中的快速充电电池提供了有价值的见解。这些策略可以应用于开发基于更便宜材料的高性能电极，如多孔碳和膨胀石墨，以实现未来工作中低成本/快速充电的EV电池的目标。湖南大学周海晖教授、罗胜联教授、英国帝国理工赵云龙教授以及北京科技大学焦树强教授为论文通讯作者，湖南大学为第一通讯单位。李焕新博士、萨里大学博士研究生龚毅（现帝国理工联合培养博士）为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。