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近日，山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)能源材料實(shí)驗(yàn)室王儒濤教授課題組在金屬離子電容器動(dòng)力學(xué)匹配取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Hexaindium Heptasulfide/Nitrogen and Sulfur Co-doped Carbon Hollow Microspindles with Ultrahigh-Rate Sodium Storage Through the Stable Conversion and Alloying Reactions”為題，在國(guó)際期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202211611；IF:32.086)上在線全文發(fā)表。材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)碩士研究生朱春艷為第一作者，山東大學(xué)王儒濤教授、林曉航教授、華明昊博士和中科院上硅所王世杰博士為該論文共同通訊作者。山東大學(xué)為該論文第一完成單位。

金屬離子電容器屬于典型的混合型超級(jí)電容器，具有比常規(guī)超級(jí)電容器能量密度大，比電池功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。然而，正是由于器件特有的“電池—電容”混合交叉設(shè)計(jì)，正負(fù)極材料動(dòng)力學(xué)不匹配成為了制約高比能、長(zhǎng)壽命金屬離子電容器的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，發(fā)展超高倍率特性的陽極材料是解決該問題的關(guān)鍵。

據(jù)此，課題組采用金屬有機(jī)骨架化學(xué)物（MIL-68-In）作為前驅(qū)體，通過原位硫化反應(yīng)合成了一種多孔In6S7/C納米復(fù)合材料。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，不僅可以縮短N(yùn)a+擴(kuò)散路徑和提供較多的活性位點(diǎn)，還可以有效地緩解充放電過程中的體積膨脹。在比容量、首次庫(kù)侖效率、大電流放電能力和循環(huán)穩(wěn)定性等性能指標(biāo)方面，In6S7/C陽極都表現(xiàn)出優(yōu)異的Na+存儲(chǔ)特性。原位/非原位分析技術(shù)和理論計(jì)算進(jìn)一步闡明了In6S7/C陽極的轉(zhuǎn)化和合金化復(fù)合儲(chǔ)鈉機(jī)制。采用In6S7/C材料作為負(fù)極組裝的鈉離子電容器，能夠提供136.3 Wh/kg的高能量密度，47 kW/kg-1的高功率密度以及超過兩萬次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)性能。三電極動(dòng)態(tài)電位檢測(cè)結(jié)果證實(shí)了該鈉離子電容器的這些優(yōu)異特性主要?dú)w因于In6S7/C HMS負(fù)極與活性炭正極的動(dòng)力學(xué)匹配和穩(wěn)定的Na+存儲(chǔ)行為。

該工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于突破電池型材料動(dòng)力學(xué)無法匹配于電容型炭材料的認(rèn)識(shí)局限，首次在合金-轉(zhuǎn)化復(fù)合型電池負(fù)極與電容炭正極之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)匹配，為新型超高倍率負(fù)極材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)用于下一代快充電化學(xué)儲(chǔ)能裝置提供了思路。

研究過程中申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，已授權(quán)1項(xiàng)。該論文全程得到材料學(xué)院先進(jìn)能源材料實(shí)驗(yàn)室尹龍衛(wèi)教授的指導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)室全體成員大力支持。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年/面上項(xiàng)目、山東省高等學(xué)校“青創(chuàng)科技計(jì)劃”、山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目、山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者計(jì)劃、山東大學(xué)先進(jìn)材料測(cè)試與制造公共平臺(tái)的支持。

原文連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211611