碳材料在鈉離子電容器中的應用

謝松伯，吳 兵，杜海蓉，王文倩，谷丹丹，胡曉煒*

（臨沂大學化學化工學院，山東 臨沂 276000）

目前快速發展的航空航天，電動汽車，軌道交通等領域對儲能器件提出了兼具高功率密度、高能量密度以及長循環壽命的要求[1]。鈉是地殼中含量最為豐富的元素之一，約為2.74%，居第六位。同時，鈉元素與鋰元素處于同一主族，具有相似的物理化學性質和電化學儲能機制。除了鈉取代鋰，鈉離子電容器的結構、組件、體系、電荷存儲機制與鋰離子電容器基本相同[2-4]。因此從長遠來看，發展鈉離子電容器是非常具有前景的。

1 鈉離子電容器

目前鈉離子電容器研究中比較活躍的以活性碳為代表的負極材料和以Nb2O5[5]， MXene[6]，TiO2[7]，V2O5[8]為代表的正極材料組成的不對稱型鈉離子電容器的能量密度和功率密度遠低于實際需求。究其原因在于電容型電極與電池型電極的電容與儲能動力學相差甚遠，匹配性不佳，不能發揮協同效應。同時，過渡金屬化合物材料倍率低、結構穩定性差、成本高、對環境有害等問題也限制了不對稱型鈉離子電容器的發展[9]。相比而言，“雙碳”型鈉離子電容器，即正負電極材料均使用碳基材料，避免了過渡金屬化合物的使用，緩解了兩電極動力學匹配性不佳的問題而成為鈉離子電容器研究的熱門選擇。

電極材料是決定“雙碳”型鈉離子電容器能量密度、功率密度、倍率性、循環壽命、成本及安全性非常重要的因素。Mitlin等科學家[10]以聚吡咯水凝膠為前驅體制備N（13%） 和O（11%）雙原子摻雜碳負極材料，比表面積達到945 m2/g，雜原子摻雜既提供足夠的儲電位點又改善碳骨架的孔結構，同時微孔和介孔的存在為雜原子和石墨烯缺陷位吸附離子提供了有利條件。該負極材料在1.6 A/g的大電流密度下容量達到185 mAh/g。Mitlin等科學家[11]以花生皮為前驅體制備具有分層次的微孔-介孔-大孔無序結構的納米片狀碳材料，獨特的分級多孔結構有利于離子快速傳輸，豐富的缺陷位點也可提升材料的儲鈉比容量。作為正負極，在2.7～4.2 V電位窗口內，材料的比容量分別為100 mAh/g和461 mAh/g，同時相較于具有較少分級多孔結構的對比樣品，該材料具有更高的倍率和循環穩定性能。南開大學卜顯和課題組[12]以金屬有機骨架化合物 （Metal Organic Framework，MOF） 為前驅體，制備了具有分級結構、氮摻雜的二維碳片材料，作為鈉離子電容器正極材料，在10 A/g高電流密度下，材料比容量為150 mAh/g，充放電循環1000圈，容量保持率為72.8%。以上報道說明經過設計制備分級結構碳電極材料能夠有效提高“雙碳”型鈉離子電容器的電容性能。

2 制備優化材料結構構

大量研究表明，制備優化材料結構構筑特殊形貌（中空、核殼等）和增大層間距能夠有效提高“雙碳”型鈉離子電容器的循環穩定性。華南理工大學王海輝課題組[13]制備了具有高比表面積的氮摻雜中空碳纖維，當用作鈉離子電容器負極材料時可表現出插入和電容型混合儲能機制，比容量高達230 mAh/g。當用AC為正極時，所得鈉離子電容器的最高能量密度和功率密度分別為108 Wh/kg和9 kW/kg，2000次循環之后容量保持率為70%。中國科學院蘭州化物所閻興斌課題組[14]采用檸檬酸鈉作為唯一前驅體，一步煅燒得到具有三維結構、寬層間距、高導電性的薄層碳材料。上述材料經KOH進一步活化后作為正極材料，所得“雙碳”型鈉離子電容器在能量密度與功率密度兩方面都有較好表現，并表現出較優秀的循環穩定性。

3 多孔碳材料

以多孔炭同時做正負電極的“雙碳”型鈉離子電容器是一種廉價、環保和高效的新型儲能裝置，它避免了過渡金屬化合物的使用，緩解了普通金屬離子電容器中普遍存在的兩電極動力學匹配性不佳的問題，在新一輪能源革命的背景下，具有可大規模生產的高性能儲能設備的巨大潛力。