​青岛大学在高性能钾离子电容器领域取得进展

【研究背景】

金属钾由于具有资源丰富、成本较低等优势，这使得钾离子基储能器件在大规模应用中更具竞争力。其中，钾离子电容器(PICs)由于结合了金属离子电池和超级电容器的双重优势，可同时实现较高的能量密度、功率密度和超长的循环稳定性，有望在储能领域得到广泛的应用。PICs的正负极由电容器型电极材料和电池型电极材料构成，两者之间的动力学匹配问题制约着PICs的进一步发展。由于电池型电极材料受限于固态离子扩散的影响，因此，设计一种具有快速法拉第反应动力学的电池型电极材料对于构建高性能的PICs至关重要。

【成果介绍】

近日，青岛大学李洪森教授、陈栋副教授和李强教授(共同通讯作者)提出了一种可用于高能量/功率密度钾离子电容器的新型多孔钒酸钴纳米笼@石墨烯复合材料，并对其储钾机制进行了详细解析。在这项工作中，该团队使用一种简单地溶剂热结合后续煅烧的方法，制备了一种具有多孔结构的钒酸钴纳米笼材料。通过一系列的非原位XPS、TEM测试以及第一性原理计算等首次证明了对于钒酸钴材料来说，其嵌钾过程涉及先嵌入后转化的过程，且整个过程完全可逆。进一步与氧化石墨烯复合后，得益于其优异的结构设计以及高的电子导电性，钒酸钴纳米笼@氧化石墨烯复合材料展现出良好的储钾性能，当与活性炭(AC)正极匹配组装为PICs后，实现了较高的能量-功率密度(78.2 Wh kg^-1，22500 W kg^-1)以及超长的循环寿命(1 A g^-1的电流密度下3000次循环后容量保持率为96.8%)。该项工作以“Fast potassium Storage in Porous CoV₂O₆ Nanosphere@Graphene Oxide towards High-Performance Potassium-Ion Capacitors”为题发表在材料领域重要期刊Energy Storage Materials上(影响因子16.28)。

【图文导读】

图1. 多孔钒酸钴纳米笼@石墨烯复合材料合成过程示意图

图2. 钒酸钴晶体结构以及物相表征

图3. 多孔钒酸钴纳米笼@石墨烯复合材料储钾性能

图4. 钒酸钴储钾机制实验表征

图5. 钒酸钴储钾机制第一性原理计算

图6. 多孔钒酸钴纳米笼@石墨烯//活性炭钾离子电容器电化学性能表征

Huanyu Liang, Yongcheng Zhang, Shujin Hao, Luhan Cao, Yanhong Li, Qiang Li^⁎, Dong Chen^⁎, Xia Wang, Xiangxin Guo, Hongsen Li^⁎, Fast potassium Storage in Porous CoV₂O₆ Nanosphere@graphene Oxide towards High-Performance Potassium-Ion Capacitors, Energy Storage Materials, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.05.013

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721002178