【能源】阴离子载体对锌离子电容器比电容和自放电行为的影响- 大数跨境

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2020-09-27

导读：香港城市大学支春义教授团队与香港城市大学范俊教授、武汉科技大学高标教授课题组合作，详细研究了阴离子载流子对氮化钛基锌离子电容器电化学行为的影响，通过阴离子电化学行为的引入构建了兼具高比电容和抗自放电能

赝电容材料通过电池型氧化还原行为存储能量，并具有与双电层电容材料相比拟的倍率性能，金属离子混合电容器可结合电池型电极高能量密度和电容型电极高功率密度的优点。引入赝电容行为和离子混合电容器技术被认为可以有效地改善超级电容器的能量密度。然而，目前有关离子混合电容器的研究仅考虑了电化学过程中阳离子的反应，导致对机理的理解存在缺陷。

基于此，香港城市大学支春义教授团队与香港城市大学范俊教授、武汉科技大学高标教授课题组合作，详细研究了阴离子载流子对氮化钛基锌离子电容器电化学行为的影响，通过阴离子电化学行为的引入构建了兼具高比电容和抗自放电能力的锌离子电容器。

本工作采用TiN作为锌离子电容器的正极材料，通过使用三种不同的水系电解质，包括硫酸锌、乙酸锌和氯化锌，探索了阴离子对锌离子电容器比电容的大小及抗自放电能力的影响。利用密度泛函理论（DFT）计算了不同阴离子在TiN材料上的吸附能差和吸附位置，验证了阴离子对插层型赝电容材料电化学过程的影响。DFT计算结果表明，吸附过程后TiN-SO₄的结构稳定性，使SO₄^2-参与到电化学过程中，构建了两步吸附和插层储能机制，极大地提高了其比电容和抗自放电性能。Zn-TiN电容器提供了489.8 F g^-1的超高比电容，即使经过500 h的静置时间也保持了83.92％的电容。研究表明设计合适的能量存储系统以在电化学过程中引入阴离子的反应可以显着提高离子混合电容器的电容和抗自放电能力。

图1. （a-c）氮化钛基电容器在三种电解液中的电化学性能比较；（d-f）三种阴离子吸附在氮化钛表明后的电荷密度差异；（g）吸附能比较；（h）吸附后三种结构的态密度。

图2. （a）氮化钛基电容器储能机理示意图；（b-h）氮化钛基电容器的循环，充放电曲线，倍率及循环伏安曲线等电化学性能。

图3. （a）拉贡图；（b-c）自放电曲线及容量保持率对比；（d）氮化钛基电容器的自放电时间及容量保持率与其它离子混合电容器的对比；（e）不同电解液中锌离子电容器的自放电行为示意图；（f）充放电曲线与活性材料负载量的关系；（g）柔性氮化钛基锌离子电容器的循环性能及为电子表供电照片；（h，i）柔性电容器串并联充放电曲线。

研究工作发表在《德国应化》（Angewandte Chemie International Edition）上。香港城市大学黄兆东博士研究生和王泰然博士研究生为该论文第一作者，香港城市大学支春义教授、范俊教授和武汉科技大学高标教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Effects of anion carriers on capacitance and self‐discharge behaviors of zinc ion capacitor

Zhaodong Huang¹, Tairan Wang¹, Hao Song, Xinliang Li, Guojin Liang, Donghong Wang, Qi Yang, Ze Chen, Longtao Ma, Zhuoxin Liu, Biao Gao*, Jun Fan*, Chunyi Zhi*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202012202

研究团队简介

支春义，香港城市大学教授，2004年中科院物理所取得博士学位，随后到日本物质材料研究机构(NIMS)工作，历任博士后研究员，研究员（faculty）以及主任研究员（永久职位）。目前在香港城市大学材料科学与工程系任教授，松山湖材料实验室兼职研究员。研究方向为可穿戴柔性电存储器件，包括锌基电池，水系电解质，高安全电池和金属空气电池等，致力于为各种柔性器件和可穿戴器件系统提供柔性电源解决方案。

到目前为止，已发表SCI论文300余篇，他引超过27000次(ISI)，H因子为87，专利授权70项。编辑著作两本。支春义博士是Clarivate Analytics全球高被引科学家（2019-2020，材料科学），香港青年科学院member, International Academy of Electrochemical Energy Science理事，获得北京市自然科学一等奖，NML研究者奖，城大校长奖，青年杰出研究奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/35062