基于氮硫共摻雜空心碳納米帶的高效鈉離子電容器

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團隊聯合湖南大學教授馬建民研發出基于氮硫共摻雜空心納米帶的鈉離子電容器，并獲得高容量和長循環壽命。在5A/g的高電流密度下循環10000次后，容量保持率接近100％。相關研究成果以Hollow Carbon Nanobelts Co-Doped with Nitrogen and Sulfur via a Self-Templated Method for a High-Performance Sodium-Ion Capacitor（《自模板法制備氮硫共摻雜空心納米帶用于高性能鈉離子電容器》）為題在線發表于國際材料期刊Small（DOI: 10.1002/smll.201902659）。

　　鋰資源儲量有限，且分布極為不均，使得其成本較高，從而限制了其在儲能等領域的大規模應用。由于鈉儲量豐富、與鋰接近的電化學特性，使得鈉離子儲能器件在規模儲能等領域具有良好的應用前景。近來，因兼具廉價和高功率密度的特點，鈉離子電容器受到了人們的廣泛關注。鈉離子電容器通常采用具有較高比表面積的碳材料作為正極，通過陰離子的表面吸附實現儲能。然而，僅僅依靠這種界面雙電層儲能機理的正極材料容量十分有限，如能同時引入贗電容的儲能機制，將極大提高鈉離子電容器的綜合性能。

　　基于上述考慮，唐永炳與馬建民及其團隊成員崔春雨、王恒、歐學武等人通過自模板法制備出一種氮硫共摻雜的空心碳納米帶材料。這種具有高比表面積的空心結構有利于陰離子的遷移和吸附，從而獲得一定的吸附容量和高的倍率性能；而通過氮硫共摻雜能夠貢獻一定的贗電容容量，進一步提升正極材料的比容量。以氮硫共摻雜的空心碳納米帶結構作為正極，錫箔作為負極組裝新型的鈉離子電容器，在1 A/g的電流密度下的放電比容量達到400 mAh/g；將電流密度提升至10 A/g，該電容器的容量依然可以保持在155 mAh/g左右。此外，采用錫箔同時作為負極活性材料和集流體，簡化了鈉離子電容器的整體結構，進一步提高了電容器的能量密度，該鈉離子電容器全電池在676 W/kg功率密度下，能量密度高達250 Wh/kg左右。該工作為發展高性能鈉離子儲能器件提供了新的思路。

　　該項研究得到國家自然科學基金優青項目、廣東省科技計劃和深圳市科技計劃等的資助。

　　論文鏈接

鈉離子電容器的結構及工作示意圖及其長循環性能