陕西师范大学雷志斌、李琪Small Structures：KNb3O8纳米棒的储锂行为研究及高性能锂离子电容器构建

研究背景

锂离子电容器因兼具超级电容器和锂离子电池的优点，近年来受到了研究者的广泛关注。而探索高容量、高倍率、长寿命的新型锂离子电容器负极材料，是构建高能量密度锂离子电容器的关键。铌酸钾（KNb3O8）是一种典型的层状化合物，具有高的理论容量（360 mAh/g、双电子转移Nb⁵⁺/Nb⁴⁺, Nb⁴⁺/Nb³⁺）、安全的放电平台、结构稳定无晶格畸变等电化学性能。但其导电率低，倍率性能较差，因而在实际应用中受到限制。

文章概述

近日，陕西师范大学雷志斌教授、李琪副教授联合报道采用一种简单的电化学沉积及低温热处理技术，在导电碳布（CC）柔性基底表面沉积了相互交织的KNb3O8纳米棒，研究了KNb3O8纳米棒的面积载量对CC-KNb3O8复合电极导电性及放电容量的影响，并将该复合电极应用于自支撑锂离子电容器负极，并系统地研究了其储锂性能（图1）。

图1 KNb3O8为负极的锂离子电容器结构

面积载量为2.8 mg cm^‒2的KNb3O8纳米棒相互交织形成多级结构，缩短了离子扩散距离，促进了Li⁺的快速嵌入/脱出。电化学测试结果表明：在1.0~3.0 V的电压范围内，CC-KNb3O8电极具有1.2 V（vs. Li/Li⁺）的安全放电电位，且在0.01 A/g的电流密度下，放电容量可达271 mAh/g，经100圈循环后，容量仍能保持在225 mAh/g（图2）。

图2 CC-KNb3O8的XRD图(a)，SEM照片(b)，TEM照片(c)及电化学性能(d-f)

通过非原位的XPS测试分析表明：当放电电压由3.0降至1.64 V时，CC-KNb3O8电极中约98.4%的Nb⁵⁺还原为Nb⁴⁺，进一步放电至1.00 V时，仅有4.3% Nb⁴⁺还原为Nb³⁺。非原位XRD结果显示，在充放电过程中，随着Li+的嵌入/脱嵌，KNb3O8始终保持正交晶相，未发生明显的衍射峰偏移，表明KNb3O8纳米棒电极在Li+的嵌入/脱出过程中，具有稳定的晶体结构（图3）。

图3  铌元素在不同充放电阶段的价态变化与充放电电位图(a)， CC-KNb3O8 电极不同充放电期间的XRD图(b)，正交相KNb3O8沿不同晶面的结构(c-e) 

以CC-KNb3O8为负极，活性炭为正极组装的锂离子电容器具有较大的电压窗口（0~3.5 V），在2 A/g的电流密度下连续充放电1000圈后，容量保持率高达88%，且在346 W/kg的功率密度下，最大能量密度为69 Wh/kg，可以驱动部分电子元器件长时间运转（图4）。本研究工作表明，在面向高能量密度的储能器件设计中，KNb3O8将可能成为一类极具发展潜力的铌基负极材料。

图4  锂离子电容器的电化学性能（a, b），Ragone图(c)， 循环稳定性(d)及驱动电子设备演示实验(e)

论文信息：

Lithium Storage in KNb₃O₈ Nanorods for High-Energy Lithium-Ion Capacitor

Hui Sun, Fei Niu, Peng Yuan, Xuexia He, Jie Sun, Zonghuai Liu, Qi Li*, Zhibin Lei*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100029

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期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。

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