高电压水系酸性对称超级电容器取得新进展

        可穿戴便携式电子产品的快速发展和广泛应用激发了高效电化学储能设备的开发和研制。凭借高功率密度、快充放电能力和出色的循环稳定性等优点, 超级电容器正作为一种新型的功率补偿和储能装置冲击着电子市场。大多数商品化超级电容器为有机系对称型超级电容器。与有机电解液（~1×10⁻³ S cm⁻¹）相比，酸性水系电解液因具有成本低、安全、环境友好、电导率高（＞1 S cm⁻¹）和无工作环境要求等优点而备受关注。但除了价格昂贵的二氧化钌及容量低的碳材料，目前极少有材料能满足需求，且较低的水分解电压（1.23 V）进一步限制了水系超级电容器的能量密度。

图1. 基于石墨烯纳米片负载的Ti₂Nb₁₀O_29-x电极材料的水系酸性对称超级电容器

        近日，我院卢锡洪副教授、童叶翔教授团队和浙江大学材料科学与工程学院夏新辉研究员合作开发出了一种稳定且可实现高电压的氧缺陷型钛铌氧化物电极。通过水热反应及还原性气氛热处理得到石墨烯纳米片负载的Ti₂Nb₁₀O_29-x电极材料（TNO_xG）。随着电荷转移效率和H⁺扩散速率的提升，TNO_xG中的氧缺陷能激发更多赝电容；同时抑制析氧反应的发生，有效拓宽电位窗口。在1 M H₂SO₄中，TNO_xG单电极具1.8 V的宽电位窗口及368.9 F g^-1（0.5 A g^-1）的高比容量。制备的1.4 V高电压准固态对称电容器可在0.57W cm⁻³的功率密度下实现最大0.58 mWh cm⁻³的能量密度，并在20000圈循环测试下保持稳定（图1）。这一氧缺陷调制优化反应动力学的策略，将为进一步改善水系酸性超级电容器的性能提供新思路。相关成果以“Oxygen Defect Modulated Titanium Niobium Oxide on Graphene Arrays: An Open-Door for High-Performance 1.4 V Symmetric Supercapacitor in Acidic Aqueous Electrolyte”为题发表在国际重要学术刊物《Advanced Functional Materials》(Xiyue Zhang, Shengjue Deng, Yinxiang Zeng, Minghao Yu, Yu Zhong, Xinhui Xia,* Yexiang Tong,* and Xihong Lu*, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805618)上，我院18级博士生张熙悦同学为第一作者。

        该研究工作得到了国家重点研发计划、广东省自然科学杰出青年基金、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才项目、广州市珠江科技新星专项等项目的资助。

        论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805618