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【研究背景】當(dāng)今社會(huì)，新能源需求的快速增長(zhǎng)促進(jìn)了能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換器件快速發(fā)展。實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱能、機(jī)械能等向便攜式電子和傳感設(shè)備儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)自供電系統(tǒng)非常有潛力的途徑之一。“摩擦生電”一詞大家并不陌生，但是通常以貶義存在。王中林院士及其團(tuán)隊(duì)發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)（TENG)，成功的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。旋轉(zhuǎn)納米摩擦發(fā)電機(jī)（R-TENG)是納米發(fā)電機(jī)的一種，其原理是利用兩材料間的摩擦效應(yīng)和接觸/分離起電。它因具有輸出功率高，制作成本低，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，引起越來(lái)越多人的廣泛關(guān)注。然而，由于納米摩擦發(fā)電機(jī)頻率在~0.1- 1000Hz范圍內(nèi)時(shí)輸出電流較小且脈沖較大的局限性，因此尋求具有低自放電率、高倍率性能特點(diǎn)的存儲(chǔ)器件來(lái)儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的能量具有非常重大的意義。

 

 

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所盧憲茂研究員和蒲雄研究員課題組等人利用簡(jiǎn)單、易操作的方法合成并表征了一種嵌入到介孔碳（MC）中的層狀鈦酸鋰納米顆粒（n-LTO@MC），將其作為負(fù)極合成組裝成超快速的鋰離子電容器并成功實(shí)現(xiàn)與納米摩擦發(fā)電機(jī)相結(jié)合。該復(fù)合材料形貌規(guī)則，為直徑~80nm 納米顆粒；擁有較大的比表面積，存在廣泛的微孔和介孔分布，提供了復(fù)雜的離子傳輸通道和快速的電解液傳輸路徑。其作為負(fù)極與商用活性炭組裝成鋰離子電容器（AC//n-LTO@MC LICs）后，高倍率下表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。更重要的是，當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)納米摩擦發(fā)電機(jī)（R-TENG）給AC//n-LTO@MC LICs充電時(shí)，實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間更短，放電容量更高。同等條件下，其性能與使用商用LTO以及自合成無(wú)介孔碳LTO納米顆粒相比，效率得到了非常大的提高。該研究成果以”Ultrafast lithium-ion capacitors for efficient storage of energy generated by triboelectric nanogenerators“發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy Storage Materials雜志上。論文的第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士研究生梁曉嬙，通訊作者是王中林院士、盧憲茂研究員和蒲雄研究員。

 

 

 

鈦酸鋰（Li4Ti5O12）作為一種常見(jiàn)的電極材料具有安全性好，循環(huán)性能高，可實(shí)現(xiàn)快速充放電，工作范圍寬和自放電小等優(yōu)點(diǎn)。但由于自身導(dǎo)電性差限制其在電化學(xué)方面的應(yīng)用。該作者通過(guò)簡(jiǎn)單的高壓反應(yīng)釜加熱手段合成了尺寸分布均勻的鈦酸鋰和介孔碳復(fù)合材料。

 

圖1. n-LTO@MC復(fù)合材料合成過(guò)程

 

圖2. 介孔碳（MC）和n-LTO@MC復(fù)合材料SEM和TEM圖像

 

 

與AC//c-LTO, AC//n-LTO相比，AC//n-LTO@MC 電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該電容器不僅超高倍率下實(shí)現(xiàn)快速充放電，而且超高倍率下保持較高的容量保持率。在50 ，100，500和1000C時(shí)，電容器的放電比容量分別為163，155，108和79mAh/g。100C和1000C大電流循環(huán)1000圈時(shí)，容量保持率分別為96%和90%。值得一提的是，1000C時(shí)，該電容器在1.7s 內(nèi)傳遞了79mAh/g的可逆容量。與近幾年內(nèi)LTO或含LTO的復(fù)合材料為電極材料的電容器相比，該電容器的倍率性能是十分突出的。

 

 

圖3. （a-b）AC//c-LTO,AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC 不對(duì)稱電容器的倍率性能（c） 在100C 和1000C 條件下，AC//n-LTO@MC電容器循環(huán)1000圈時(shí)電容保持率（d）AC//n-LTO@MC 電容器電化學(xué)性能與近期文獻(xiàn)中一些電容器對(duì)比

 

 

 

圖4.（a-b）R-TENG和LICs連接線路及結(jié)構(gòu)示意圖（c-d）R-TENG連接一個(gè)電流轉(zhuǎn)換器（220/6）后，300r下開(kāi)路電壓（Uoc）和短路電流（Isc）

 

 

圖5.AC//c-LTO, AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC的充電時(shí)間和電容變化（a-c）R-TENG使用相同轉(zhuǎn)速（300 rpm）時(shí)，三種電容器的充電時(shí)間和不同倍率下的放電電容（50，100，150和200C）（d-f）R-TENG使用不同轉(zhuǎn)速（300，350，400，450和500rpm）時(shí)，三種電容器的對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間和相同倍率下的放電電容（50C）

 

由圖5結(jié)果知，用R-TENG給三種LICs 充電時(shí)，AC//n-LTO@MC表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)異的存儲(chǔ)性能。同一轉(zhuǎn)速下，給三種電容器充電時(shí)，AC//n-LTO@MC在最短時(shí)間（76s）內(nèi)，在不同倍率下均釋放出最高的電容量。在50，100，150和200 C時(shí)，放電比容量分別為155, 137, 134和128mAh/g。不同轉(zhuǎn)速，同一放電倍率下放電時(shí)，AC//n-LTO@MC的放電比容量最高。

 

 

綜上所述，該文章作者利用簡(jiǎn)單，易操作的實(shí)驗(yàn)手段成功合成出尺寸均一的n-LTO@MC納米顆粒，并組裝成超快速的鋰離子電容器。在100C和1000C 大電流條件下，155和79mA/g的可逆電容，1000次循環(huán)后仍有96% 和90%的電容保持率。更重要的時(shí)，使用納米摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)其充電時(shí)，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)高效、快速充電并能保持較高容量值。該研究表明超快速鋰離子電容器與納米發(fā)電機(jī)結(jié)合有望成為新一代的自儲(chǔ)能器件。

 

原標(biāo)題:超快速鋰離子電容器首次應(yīng)用于納米發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能