陈令允教授、张其春教授Small：金属离子混合电容器二维电极材料：结构、合成、优化策略和应用

第一作者：吴梦成

通讯作者：陈令允*，张其春*

单位：重庆大学，香港城市大学

长期以来，设计和开发具有良好能量/功率密度和优异循环寿命的先进储能设备一直是研究热点。金属离子混合电容器（MHCs）被认为是新兴的、极具前景的候选器件，它综合了具有高能量密度的金属离子电池（MIBs）和具有优良功率输出和循环稳定性的超级电容器（SCs）的优点。

然而实现高性能的MHCs需要克服具有不同储能机理的阳极和阴极之间不可避免的反应动力学不平衡问题。二维（2D）纳米材料具有大的比表面积、短的离子扩散距离、改善的面内电荷传输动力学以及可调整的表面和层间结构等特点，为制造具有提高倍率能力的电池型电极和具有高容量的电容器型电极提供了一个有前景的平台。

基于此，来自重庆大学的陈令允教授与香港城市大学的张其春教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Exploring 2D Energy Storage Materials: Advances in Structure, Synthesis, Optimization Strategies, and Applications for Monovalent and Multivalent Metal-Ion Hybrid Capacitors”的综述文章。该综述对2D纳米材料的结构和制备、MHCs的储能机理和装置结构、电极材料和电解质的优化策略、2D电极材料在一价和多价MHCs的应用、MHCs中的先进表征等方面进行了全面的总结。

图1. 图形摘要

图2. 各类MHCs以及的典型二维纳米材料用于MHCs的时间线图

二维纳米材料的合成方法在一定程度上决定了材料的质量和性能。一般来说，二维材料的合成策略可以分为两类，即自上而下的方法和自下而上的方法。自上而下的方法，指的是通过剥离、机械研磨等方法从块体材料或高维形式中减少材料的尺寸和大小的过程。化学气相沉积（CVD）、湿化学合成等则构成自下而上的方法，其中纳米材料来源于较小的构件（如原子或分子）的生长或组装。

图3. 二维纳米材料的合成策略

要点三：MHCs的工作机制

MHCs由一个电池型电极和一个电容型电极组成。在MHCs中，电容型电极的储能机制包括电双层电容器型机制和赝电容机制。前者是基于活性材料表面的静电吸附/解吸，后者是源于电极材料表面和/或附近发生的高度可逆的快速法拉第反应，可细分为吸附假电容、氧化还原假电容和插层假电容。

电池型电极的储能方式可分为四种：插层机制、转换机制、合金化反应机制和沉积/剥离机制。根据电化学过程中电荷载流子迁移方式的不同，一价MHCs的工作机制可以分为三种类型（图4 a-c），即"手风琴"机制，摇椅式机制以及混合机制。根据阳极材料的不同，多价MHC的工作机制可分为图4 d-e两种。

图4. MHCs储能机制示意图

要点四：电极材料和电解质的优化策略

二维材料易堆积或聚集的特性，狭窄的层间距离，以及不良的电子导电性严重限制了其性能的充分利用。近年来，研究人员通过缺陷工程、掺杂工程、层间工程和复合工程等策略，对MHCs用二维材料的性能进行了优化。此外，通过对不同电解质的开发和利用，进一步优化了MHCs的储能性能并拓宽了其应用领域。

图5. 电极材料和电解质的优化策略

要点五：二维纳米材料在MHCs中的应用

根据电解质中阳离子的类型，将混合电容器分为七类：锂离子混合电容器（LIHCs）、钠离子混合电容器（SIHCs）、钾离子混合电容器（PIHCs）、锌离子混合电容器（ZIHCs）、钙离子混合电容器（CIHCs）、镁离子混合电容器（MIHCs）和铝离子混合电容器（AIHCs）。二维纳米材料在这七类混合电容器中都有一定的应用，该综述对不同MHCs用二维纳米材料进行了详细的分类与总结。最近，采用铵离子作为电荷载体的混合电容器的出现，进一步丰富了混合电容器家族。

要点六：展望

二维材料的可控、高质量和大规模制备方法的开发，优异储能性能电极材料的进一步设计和探索，电解质电压窗口、离子导电性、安全性和成本等之间的权衡，阐明各种电极材料详细储能机制的先进表征技术的广泛应用，以及新型柔性、固态和能适应极端环境的MHCs装置的开发将是未来的主流方向。

Exploring 2D Energy Storage Materials: Advances in Structure, Synthesis, Optimization Strategies, and Applications for Monovalent and Multivalent Metal-Ion Hybrid Capacitors

陈令允教授简介：2008年在南京大学获得博士学位，同年加入了重庆大学。现为化学化工学院应用化学系教授。长期从事二维多孔材料的可控制备及其在电容器和金属离子电池等领域的应用研究。以通讯作者身份在Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Carbon、Journal of Power Sources、Small、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Science、Chemical Communications、Journal of Materials Chemistry A等上发表SCI论文60余篇，累计他引2000余次。

重庆大学陈令允教授课题组主要从事二维多孔功能材料的制备（过渡金属氧化物、氢氧化物、碳材料、MOFs等）的可控制备及其在电化学能量存储与转化中的应用研究，报道了一系列基于一元羧酸、二元羧酸和氨基酸等的二维多孔材料。欢迎化学、化工、材料等专业的同学报考我们实验室的硕士和博士研究生。

实验室网址：

投稿请联系contact@scimaterials.cn