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  初冬時節(jié)，樹葉紛紛掉落。隨手撿起幾片就能加工成具有良好性能的電容器正極？近日，南開大學材料科學與工程學院周震教授課題組做到了。該課題組尋找到二氧化鈦/碳納米管這種具有快速反應動力學的復合負極材料，同時就地取材以津南校區(qū)脫落的梨樹葉為原料制備出高效的正極材料，大大提高了鈉離子電容器整體性能，相關(guān)成果發(fā)表在《先進能源材料》(2017, 7, 1701222)。

  鈉離子電容器作為一種新型的儲能器件，兼顧了電池高能量密度和超級電容器高功率密度的優(yōu)點，近年來受到了廣泛關(guān)注，但存在成本高、材料利用率低、倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性不足等問題。此外，現(xiàn)有鈉離子電容器正極材料單位重量中能量存儲量要遠遠小于負極，要想使二者具有相同儲電量就不得不制作大而厚重的正極，這也限制了鈉離子電容器在儲能領(lǐng)域的廣泛應用。

  “作為負極材料，要求其具有低電位，而正極需要具有高電位，這樣組成電池或電容器的電壓才能高。”周震介紹。團隊就地取材，以南開大學津南校區(qū)梨樹葉為原料，制備了擁有高比表面積的生物質(zhì)碳材料作為吸附型正極。現(xiàn)有鈉離子電容器多以商業(yè)活性炭為正極，與商業(yè)活性炭相比，這種以樹葉制備的生物質(zhì)碳材料表現(xiàn)出了對陰離子快速的吸脫附特性和突出的循環(huán)穩(wěn)定性，能夠提升存儲電量和充放電速度。

  周震課題組通過靜電紡絲技術(shù)，引入碳納米管，設計制備了二氧化鈦和碳納米管均勻分散于碳材料中的納米棒，作為嵌入型負極。“我們利用二氧化鈦構(gòu)建鈉離子電容器，二氧化鈦較低的儲鈉電位和固有的贗電容特性，有效增強了混合器件的能量密度和倍率性能，大大提升了正極的儲電總量和充放電速度。”周震介紹。碳納米管的引入有效促進了離子和電子的傳輸，有效提高了材料的贗電容比例，進而帶來了更加突出的倍率性能。在半電池測試中，該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

  鈉離子具有較大的離子半徑，更加趨向于表面的贗電容反應。為了充分發(fā)揮這一特性，團隊將上述兩種材料通過合理匹配，組裝成了鈉離子電容器。該器件表現(xiàn)出很高的能量密度(81.2 W h kg-1)、優(yōu)異的功率密度(12400 W kg-1)及超長的循環(huán)穩(wěn)定性(1 A g-1大電流下循環(huán)5000次容量保持率為85.3%)，有效解決了現(xiàn)有電容器存在的正負極電化學反應動力學不匹配的問題，為鈉離子電容器的研究發(fā)展提供了新思路。

  最后，研究小組通過成功驅(qū)動迷你風扇的實驗，進一步證明了該鈉離子電容器擁有高的電壓輸出，為今后的實用化提供了可能。

  “其實不光是樹葉，秸稈、菜葉等也可用來制作電容正極，如果規(guī)模化生產(chǎn)，一定程度上將有利于環(huán)保事業(yè)發(fā)展。”周震介紹。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目的資助。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201701222/full