高能量密度及高功率密度的2.6 V水系超级电容器

 超级电容器(Supercapacitor)是一种主要依靠双电层电容和氧化还原赝电容进行电荷储存的新型储能装置。作为一种新型绿色的储能器件，超级电容器兼有电池的高比能量和传统物理电容器高比功率的优点。自本世纪初美国Maxwell、日本NEC及松下公司推出成熟的市场产品后，超级电容器已经成功应用于混合动力汽车、风力发电、太阳能发电、军工、智能电网及工业UPS等领域，并在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费类电子产品、国防、通信等众多领域具有巨大的应用价值和市场潜力。

目前商业化的超级电容器主要基于活性炭材料的双电层电容器，仍然存在比能量密度低、高品质活性炭材料依赖进口以及成本偏高等问题。而基于金属氧化物赝电容的水系超级电容器具有成本低廉、理论比电容高等优势，具有巨大的市场潜力。水系超级电容器的电压极限通常为2 V，由此阻碍了其能量密度的进一步提高。电压极限的提升取决于设计具有较大析氧过电位和析氢过电位的正极材料和负极材料，这是该研究领域的重要挑战。近日，南京理工大学的夏晖教授团队和朱俊武教授团队在Advanced Materials 上首次报道了具有2.6 V工作电压的水系不对称超级电容器，突破了水系超级电容器2 V的瓶颈，极大提高了水系超级电容器的工作电压和能量密度。

该研究团队设计研发了具有宽工作电位窗口的氧化锰基正极材料和氧化铁基负极材料，通过Mn3O4纳米墙阵列的电化学氧化原位形成具有高钠含量的Birnessite相Na0.5MnO2小片组装纳米墙阵列，利用Na+离子预嵌将MnO2的电位窗口拓宽到0~1.3 V (vs. Ag/AgCl)，同时增加了MnO2中Mn3+的含量，提高其赝电容的贡献。由超薄小片组装的纳米墙阵列结构也赋予电极多孔的结构和大比表面积，使Na0.5MnO2电极在2 mg/cm2 的载量下获得366 F/g的高比电容，并同时具有优良的倍率性能和循环性能。另外，该研究团队以Na0.5MnO2纳米阵列为正极、碳包覆的Fe3O4纳米棒阵列为负极、Na2SO4为中性水系电解液，构建了2.6 V的水系不对称超级电容器，得到较高的能量密度和功率密度。

基于电极材料的质量，该超级电容器器件具有高达81 Wh/kg的能量密度，在20 kW/kg的高功率密度下提供38 Wh/kg的能量密度，并在1万次循环后仍能保持93%的容量。该技术采用成本低廉且环保的电极材料，实现了具有高能量密度和高功率密度的超级电容器器件，具有较高的实用价值和应用前景。2.6 V高比能量水系电容器拥有多方面的突出优势，其能量密度已远高于目前商业化的活性炭超级电容器（5-10 Wh/kg）和铅酸电池（~50 Wh/kg），有望取代传统的铅酸电池和造价昂贵的有机活性碳基超级电容器，具有非常广阔的市场前景。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，第一作者为南京理工大学夏晖教授课题组的博士生Nawishta Jabeen。