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鈉離子混合電容器（SIHCs）可以同時(shí)具有電池的高能量密度和超級(jí)電容器的高功率密度。大規(guī)模儲(chǔ)能要求SIHCs具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命和較高的功率密度，這對(duì)電極材料尤其是負(fù)極材料來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。離子半徑較大的鈉離子在充放電過(guò)程中表現(xiàn)出較差的動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致大倍率性能不理想。近日，南開(kāi)大學(xué)焦麗芳教授課題組設(shè)計(jì)并制備了銻-錫雙金屬硫化物/石墨烯復(fù)合材料（ATS/GNS）應(yīng)用于高效鈉離子儲(chǔ)存。研究成果以“Rapid kinetics of Na-ion storage in bimetallic sulfide composite”為題發(fā)表在Energy Storage Materials上

ATS以超小納米顆粒的形式與石墨烯結(jié)合。銻（Sb）的引入可以減小帶隙，進(jìn)一步提高電導(dǎo)率。采用密度泛函理論（DFT）模擬了Sb摻雜后的能帶結(jié)構(gòu)、Na+擴(kuò)散能量和Na2S的吸附能，從理論上揭示了Sb摻雜提高電池性能的內(nèi)因。結(jié)果表明，ATS對(duì)Na+具有高的吸附能(-3.13 eV)和低的擴(kuò)散能壘(0.26 eV)。


得益于較好的電導(dǎo)率和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料電極在1 A/g電流密度下穩(wěn)定工作3000圈，容量可保持為507 mAh/g。


本工作同時(shí)設(shè)計(jì)并制備了氮硫摻雜多孔碳（NS-PC）正極以匹配ATS/GNS構(gòu)造全電池。通過(guò)一步簡(jiǎn)單摻雜，正極多孔碳材料的比容量從83 mAh/g（PC）提升到118 mAh/g（NS-PC）。同時(shí)NS-PC經(jīng)過(guò)500圈穩(wěn)定循環(huán)，容量沒(méi)有明顯衰減。


基于正負(fù)極的優(yōu)異性能，進(jìn)一步組裝ATS/GNS//NS-PC鈉離子混合電容器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電流密度為5 A/g時(shí)，混合離子電容器循環(huán)10000圈后，容量保持率為70%（CE~100%），并且其能量密度最高可達(dá)115 Wh/kg，功率密度最高可達(dá)18750 W/kg。由此可見(jiàn)，這樣的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)超級(jí)電容器，高功率輸出與普通鈉離子電池相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，本研究為鈉基器件的高能/功率密度設(shè)計(jì)提供了一種可行的途徑。


原標(biāo)題：南開(kāi)大學(xué)焦麗芳教授EnSM：雙金屬硫化物復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)鈉離子快速儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)