【引言】
锂离子电容器(LIC)是新一代的混合型储能器件,负极采用LIB材料,正极采用SC材料,因此同时具备锂离子电池(LIB)和超级电容器(SC)的优势。由于正负极储能机制的巨大差异,正负极的电化学性能表现出巨大的不对称性,导致当前的LIC体系无法同时满足高比能量、高比功率和长循环寿命的电话线特性。根据超级电容器充放电过程中的正负极的反应特点,理想的LIC电极应该满足一下几个方面的要求:(1)负极材料应具备低的工作电压和高比容量,能够使LIC器件发挥出高的电压和比能量;(2)负极材料应具备好的循环稳定性,保证器件的循环寿命;(3)正极材料应具备高的比容量,提升器件的能量密度。根据以上要求,大量的LIC体系被报道,负极包括石墨,Li4Ti5O12,以及Si等,正极包括CNT,石墨烯,多孔碳等,但是这些体系仍然无法完全满足LIC对电极的要求。
【成果简介】
近日,同济大学郑俊生副研究员(通讯作者)和郑剑平教授(通讯作者)团队联合北京化工大学向中华教授团队在国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A (JMCA,影响因子9.93)发表题为“Toward high energy-density and long cycling lifespan lithium ion capacitors: a 3D carbon modified low-potential Li2TiSiO5 anode coupled with a lignin-derived activated carbon cathode"的论文,第一作者为同济大学博士生金黎明。研究人员制备了3D碳材料修饰的Li2TiSiO5(3DC@LTSO)作为负极,木质素炭化-活化制备的活性炭(LDAC)作为正极。3DC@LTSO具备较低的放电平台(0.28V),较好的倍率性能和循环稳定性,同时具备LIC负极材料的应用需求,LDAC具备高的比表面积能够发挥出高的比容量,极好的倍率性能和循环稳定性,是同时具备LIC正极材料的应用需求。同时,本文根据3DC@LTSO的充放电特点,提出准原位的EIS评估负极的最佳工作电位区间,从而实现的正负极的合理匹配。通过正负极材料设计和正负极电极间的合理匹配,LDAC//3DC@LTSO表面出高的比能量(115.3Wh kg-1),高的比功率(6560 W kg-1) 和极好的循环寿命(6000次循环容量保持在90%)。本文涉及的材料选择、合成和电极匹配策略对LIC进一步的研究都具有很好的借鉴价值。
【全文解析】
图1. 3DC@LTSO的(a)合成过程示意图;(b)XRD测试;(c)碳含量测试TGA图;(d-e)不同放大倍数的SEM图像;(f-h)不同放大倍数的TEM图像。
图2. 3DC@LTSO和LTSO的(a)循环伏安CV对比图;(b)交流阻抗(EIS)对比图,(c-e)电子、离子传输系数对比图。
图3. 3DC@LTSO的(a)充放电曲线;(b)电位分布分析;(c)倍率性能;(d)倍率充放电曲线;(e)循环性能。
图4. (a)LDAC的合成过程示意图;(b-c)不同放大倍数的SEM图像;(d-e)不同放大倍数的TEM图像;(f)LDAC的孔径分布图;(g-h)LDAC XPS测试的C1s和O 1s谱图。
图5. (a-b)LDAC的循环伏安测试图;(c)LDAC的倍率曲线;(d)LDAC的倍率性能;(e)LDAC的循环稳定性。
图6. (a)3DC@LTSO的充放电曲线;(b-c)充放电过程中的准原位EIS测试图;(e-f)阻抗分析图;(g)3DC@LTSO的最佳工作电位区间。
图7. (a)LIC器件示意图;(b)LIC电极匹配示意图;(c-d)LIC器件的充放电曲线;(e)Ragone Plot关系图;(f)LIC的循环稳定性。
【总结与展望】
LIC是新一代的电容型储能器件,在能量密度、功率密度和循环寿命上均存在提升空间。对电极材料的设计应紧扣LIC正负极充放电过程机制,同时注重正负极的匹配研究,有望同时提升LIC的综合性能。
Jin, Liming, et al. "Toward High Energy-density and Long Cycling-lifespan Lithium Ion Capacitor: A 3D Carbon Modified Low-potential Li2TiSiO5 Anode Coupled with A Lignin-derived Activated Carbon Cathode." Journal of Materials Chemistry A(2019).