东南大学，南京师范大学，上海科技大学，Small：层状启发结构的锰氧化物修饰碳堆叠体用于锂离子电容器- 大数跨境

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东南大学，南京师范大学，上海科技大学，Small：层状启发结构的锰氧化物修饰碳堆叠体用于锂离子电容器

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2025-11-07

导读：东南大学，南京师范大学，上海科技大学，Small：层状启发结构的锰氧化物修饰碳堆叠体用于锂离子电容器

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文章信息

层状启发结构的锰氧化物修饰碳堆叠体用于锂离子电容器

第一作者：王可

通讯作者：吴宇平*，马源*，胡瑗*，马妍姣*

单位：东南大学，上海科技大学，南京师范大学

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研究背景

锂离子电容器（LIC）兼具超级电容器的高功率密度和电池的高能量密度，但电池型与双电层型电极之间的显著动力学差异严重限制了其能量输出。传统的嵌入型电极虽然具有快速离子传输和良好匹配性，但能量密度有限；转化型材料则可提供更高容量，却面临体积膨胀和反应缓慢等问题。针对这一矛盾，本研究提出一种结构导向设计策略，借鉴嵌入型材料的层状结构与离子通道特征，在转化型电极中构建二维堆叠和多孔框架，以实现快速离子/电子传输与稳定结构兼容。

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文章简介

近日，东南大学吴宇平教授、马源教授团队，联合上海科技大学胡瑗研究员、南京师范大学马妍姣教授，在国际期刊Small上发表题为“Engineering Manganese Oxide-Decorated Carbon Stacks with Layered-Inspired Architecture for Lithium-Ion Capacitors”的研究论文。本研究模拟嵌入材料的分层和通道结构，在转化型电极中构建二维堆叠和多孔框架，选用氧化锰（II）作为概念验证材料。通过将超小MnO纳米颗粒（约5nm）均匀嵌入氮掺杂碳框架中，提高了可逆容量和电子电导率，形成了具有快速离子/电子传输和良好机械稳定性的复合电极（MnO@N-CT）。原位X射线衍射和电化学分析揭示了多电子混合锂存储机制，原位电化学测量和差示电化学质谱证实了结构稳定性和坚固的固体电解质界面的形成。当与活性炭（AC）组成LIC器件时，该系统展现了12.51 kW kg^-1的高比功率和287.66 Wh kg^-1的比能量，验证了分层启发设计策略的有效性，突出了结构组成协同工程在高性能LIC中的潜力。

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文章信息

图1. 2D自堆叠MnO@N-CT微层的结构和化学表征。a）结构特征和稳定机制的示意图。b）具有Rietveld细化图的XRD图案。c-e）(c) N 1s, (d) C 1s和(e) Mn 3s区域的高分辨率XPS光谱

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本文要点

要点一：MnO@N-CT的设计与合成

通过模拟插层型材料的层状结构与传输优势，本文以MnO为模型系统构建了一个二维堆叠多孔框架（layered-inspired architecture）。该设计借鉴了层状材料中有序的离子扩散通道与稳定骨架结构，旨在提升转换型材料的离子/电子传输速率与结构稳定性。在合成上，采用简单的一步前驱体热解策略，将金属有机前驱体在氮气气氛中热处理获得MnO@N-CT复合物。纳米工程与成分调控的结合，使得超小MnO纳米颗粒（约5 nm）均匀嵌入氮掺杂碳层中，形成二维自堆叠片层结构，具备丰富的介孔通道与高导电性。该复合电极表现出高可逆容量、快速离子/电子传输以及优异的循环稳定性，为转换型材料的结构导向设计提供了新思路。

图2. 2D自堆叠MnO@N-CT微层的结构和形态特征。a-c）SEM图像。d）TEM图像。e，f）高分辨率TEM图像，(f)显示(e)中白色圆圈区域的放大视图。g）SEM图像以及(h) C，(i) N，(j) O和(k) Mn的EDS图像。

要点二：储能机理与界面稳定性

机理研究表明，MnO@N-CT电极的锂存储过程具有“混合型”特征，包含嵌入样行为、转化反应及表面吸附三种机制的协同作用。原位XRD揭示首圈MnO经历转化反应生成无定形结构，后续循环中结构稳定；同时碳层发生可逆的锂离子插层过程。原位膨胀计与原位气体质谱（DEMS）分析显示，电极体积变化显著减小，SEI膜在初始循环即快速形成并稳定，后续循环几乎无气体释放与结构退化。非原位XPS进一步证实SEI主要由Li₂CO₃和LiF构成，具有致密且稳定的界面特征。这些结果共同表明，MnO@N-CT复合结构有效缓解了体积应变并稳定界面化学环境。

图3. MnO@N-CT的电化学表征。a）在0.05 mV s^-1的扫描速率下，在0.01-3.0 V相对于Li/Li⁺的电位范围内测量的第一循环的CV曲线。B）MnO@N-CT和MnO在0.1 A g^-1下的第一循环中的GCD曲线。c）MnO@N-CT在0.1 A g^-1下的不同循环中的（放电）曲线。d）0.05至2.0 A g^-1的额定容量试验。e）MnO@N-CT的充放电曲线（每个电流密度下的第三个循环）。f,g）长期循环稳定性 (f) MnO@N-CT在1.0 A g⁻¹下2000次循环和 (g) 在0.5 A g⁻¹下1000次循环的长期循环稳定性。h）与先前报道的MnO基阳极的倍率性能比较。

图4. MnO@N-CT活性材料在脱锂/锂化过程中的结构演变，在定制的双电极电池中进行操作XRD分析，其中Li金属作为对电极，Be盘作为工作电极的集电器：a）所记录的XRD图案的瀑布图（121次扫描，右图）以及初始循环和第二次脱锂/锂化的相应充放电曲线（左图）；b）根据不同的电化学行为在瀑布图的选定区域中衍射图的详细演变。

图5. a）MnO@N-CT电极在0.5 A g^-1的第一次恒电流循环期间的操作电流分析，左图中电压曲线以黑色显示，相应的相对高度变化曲线以橙色显示；右图显示第2-11次循环期间的可逆和不可逆高度变化。b）在第一圈（上图）和第二圈（下图）循环中通过DEMS获得的MnO@N-CT的原位气体析出曲线。c）在第一圈和第二圈放电后Li 1s、F 1s、O 1s和P 2p区域的XPS详细光谱。d）循环期间MnO@ N-CT电极上SEI的形成和稳定的示意图。

要点三：LIC器件的高性能表现

将MnO@N-CT负极与活性炭（AC）正极组装为锂离子电容器（LIC）后，器件展现出卓越的能量与功率特性。所得LIC在功率密度12.51 kW kg^-1下仍保持287.66 Wh kg^-1的高比能量。同时，器件表现出优异的倍率性能与循环寿命，在1 A g^-1下循环1000次后容量保持率仍达88.4%，兼具高能量密度、高功率输出及长寿命运行特性，优于多种已报道的MnO基LIC体系，显示出显著的实用潜力。

图6. AC//MnO@N-CT LIC的电化学性能。a）LIC的放电机理示意图。b）在0.1至5 A g^-1的不同电流密度下的倍率性能测试。c）LIC在不同电流密度下的第二次充电和放电曲线。d）LIC在1.0 A g^-1下的长期循环稳定性。e）与报道的其他LIC器件相对比的Ragone图。比容量，能量和功率值基于MnO@N-CT电极的质量计算。

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文章链接

Engineering Manganese Oxide-Decorated Carbon Stacks with Layered-Inspired Architecture for Lithium-Ion Capacitors

https://doi.org/10.1002/smll.202509903

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通讯作者简介

吴宇平教授简介：东南大学教授，博士生导师，国家杰青。入选英国皇家化学会会士、德国萨克森科学院通讯院士、东南大学首席教授。共发表500多篇学术论文，H-指数106+；撰写10部关于锂电池的专著，销量超过5万册；获得中国、美国、日本在内授权发明专利31项。多次入选“全球高被引科学家”之列，2015年被汤森路透从“全球高被引科学家”评为“全球最具影响力的科研精英”。担任Energy Mater. (IF=11.8) 期刊主编、Energy Environ. Mater. (IF = 13) 期刊副主编和其它刊物编委等职务。

马源教授简介：东南大学教授，博士生导师。入选“国家高层次青年人才”项目、东南大学青年首席教授、上海市海外高层次人才计划。长期专注于全固态电化学储能技术，高熵能源材料等研究工作。目前在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Energy Mater., Matter, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett.等国际期刊发表60余篇学术论文，申请/授权7项中国/欧盟发明专利。主持/参与多项国家级、欧盟、德国巴斯夫公司科研项目，担任Energy Materials，Green Carbon，Materials Futures期刊青年编委。

马妍姣教授简介：南京师范大学能源与机械工程学院教授，博士生导师，能源与机械工程学院副院长。国家海外优青、江苏省杰青，南京师范大学中青年杰出人才。现任低碳技术与能源高效清洁利用实验室主任、电化学储能与能量转换团队负责人。多年来致力于新能源利用与储能方向的研究，在电化学能量存储与转换方向提出高熵驱动结构稳定，活性中心掺杂等创新性研究思路。迄今，在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater., Matter, ACS Energy Lett.等期刊发表论文70余篇。共参与申请了 10 项专利，其中已授权的中国专利 7 项，申请欧盟专利1项。担任Energy Materials， Green Carbon，SusMat等期刊青年编委。

胡瑗研究员简介：上海科技大学助理研究员。长期从事光谱分析、电子显微镜、电子与物质相互作用相关的研究。主要研究成果发表于ACS Nano，Chem. Eng. J.，ACS Photonics，Anal. Chem. 等国际知名学术期刊。作为项目负责人获得上海市浦江人才计划、国家自然科学基金青年项目的支持，参与多项国家级及校企合作科研项目。

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课题组介绍

东南大学“三尺储能”研究团队由国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划项目首席吴宇平教授牵头组建，团队秉承东南大学“以科学名世、以人才报国”的理念，团队现有10位教师，其中国家级人才1人，国家级青年人才7人。主要研究方向包括锂/钠/钾离子电池、高能量密度锂金属电池和锂硫电池、高安全水系金属离子电池以及高功率密度混合电容器等。团队紧紧围绕高性能电化学储能材料及器件的研究，助力“碳达峰、碳中和”。