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【研究背景】當今社會，新能源需求的快速增長促進了能源存儲和轉換器件快速發(fā)展。實現(xiàn)由風能、太陽能、熱能、機械能等向便攜式電子和傳感設備儲能轉換，被認為是實現(xiàn)自供電系統(tǒng)非常有潛力的途徑之一。“摩擦生電”一詞大家并不陌生，但是通常以貶義存在。王中林院士及其團隊發(fā)明的納米發(fā)電機（TENG)，成功的將機械能轉化為電能。旋轉納米摩擦發(fā)電機（R-TENG)是納米發(fā)電機的一種，其原理是利用兩材料間的摩擦效應和接觸/分離起電。它因具有輸出功率高，制作成本低，環(huán)境友好等優(yōu)點，引起越來越多人的廣泛關注。然而，由于納米摩擦發(fā)電機頻率在~0.1- 1000Hz范圍內(nèi)時輸出電流較小且脈沖較大的局限性，因此尋求具有低自放電率、高倍率性能特點的存儲器件來儲存發(fā)電機自身產(chǎn)生的能量具有非常重大的意義。

 

 

近日，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所盧憲茂研究員和蒲雄研究員課題組等人利用簡單、易操作的方法合成并表征了一種嵌入到介孔碳（MC）中的層狀鈦酸鋰納米顆粒（n-LTO@MC），將其作為負極合成組裝成超快速的鋰離子電容器并成功實現(xiàn)與納米摩擦發(fā)電機相結合。該復合材料形貌規(guī)則，為直徑~80nm 納米顆粒；擁有較大的比表面積，存在廣泛的微孔和介孔分布，提供了復雜的離子傳輸通道和快速的電解液傳輸路徑。其作為負極與商用活性炭組裝成鋰離子電容器（AC//n-LTO@MC LICs）后，高倍率下表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電化學性能。更重要的是，當使用旋轉納米摩擦發(fā)電機（R-TENG）給AC//n-LTO@MC LICs充電時，實現(xiàn)充電時間更短，放電容量更高。同等條件下，其性能與使用商用LTO以及自合成無介孔碳LTO納米顆粒相比，效率得到了非常大的提高。該研究成果以”Ultrafast lithium-ion capacitors for efficient storage of energy generated by triboelectric nanogenerators“發(fā)表在國際頂級期刊Energy Storage Materials雜志上。論文的第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士研究生梁曉嬙，通訊作者是王中林院士、盧憲茂研究員和蒲雄研究員。

 

 

 

鈦酸鋰（Li4Ti5O12）作為一種常見的電極材料具有安全性好，循環(huán)性能高，可實現(xiàn)快速充放電，工作范圍寬和自放電小等優(yōu)點。但由于自身導電性差限制其在電化學方面的應用。該作者通過簡單的高壓反應釜加熱手段合成了尺寸分布均勻的鈦酸鋰和介孔碳復合材料。

 

圖1. n-LTO@MC復合材料合成過程

 

圖2. 介孔碳（MC）和n-LTO@MC復合材料SEM和TEM圖像

 

 

與AC//c-LTO, AC//n-LTO相比，AC//n-LTO@MC 電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。該電容器不僅超高倍率下實現(xiàn)快速充放電，而且超高倍率下保持較高的容量保持率。在50 ，100，500和1000C時，電容器的放電比容量分別為163，155，108和79mAh/g。100C和1000C大電流循環(huán)1000圈時，容量保持率分別為96%和90%。值得一提的是，1000C時，該電容器在1.7s 內(nèi)傳遞了79mAh/g的可逆容量。與近幾年內(nèi)LTO或含LTO的復合材料為電極材料的電容器相比，該電容器的倍率性能是十分突出的。

 

 

圖3. （a-b）AC//c-LTO,AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC 不對稱電容器的倍率性能（c） 在100C 和1000C 條件下，AC//n-LTO@MC電容器循環(huán)1000圈時電容保持率（d）AC//n-LTO@MC 電容器電化學性能與近期文獻中一些電容器對比

 

 

 

圖4.（a-b）R-TENG和LICs連接線路及結構示意圖（c-d）R-TENG連接一個電流轉換器（220/6）后，300r下開路電壓（Uoc）和短路電流（Isc）

 

 

圖5.AC//c-LTO, AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC的充電時間和電容變化（a-c）R-TENG使用相同轉速（300 rpm）時，三種電容器的充電時間和不同倍率下的放電電容（50，100，150和200C）（d-f）R-TENG使用不同轉速（300，350，400，450和500rpm）時，三種電容器的對應的充電時間和相同倍率下的放電電容（50C）

 

由圖5結果知，用R-TENG給三種LICs 充電時，AC//n-LTO@MC表現(xiàn)相對優(yōu)異的存儲性能。同一轉速下，給三種電容器充電時，AC//n-LTO@MC在最短時間（76s）內(nèi)，在不同倍率下均釋放出最高的電容量。在50，100，150和200 C時，放電比容量分別為155, 137, 134和128mAh/g。不同轉速，同一放電倍率下放電時，AC//n-LTO@MC的放電比容量最高。

 

 

綜上所述，該文章作者利用簡單，易操作的實驗手段成功合成出尺寸均一的n-LTO@MC納米顆粒，并組裝成超快速的鋰離子電容器。在100C和1000C 大電流條件下，155和79mA/g的可逆電容，1000次循環(huán)后仍有96% 和90%的電容保持率。更重要的時，使用納米摩擦發(fā)電機對其充電時，實現(xiàn)了短時間內(nèi)高效、快速充電并能保持較高容量值。該研究表明超快速鋰離子電容器與納米發(fā)電機結合有望成為新一代的自儲能器件。

 

原標題:超快速鋰離子電容器首次應用于納米發(fā)電機儲能