深圳先进院等研发出基于氮硫共掺杂空心碳纳米带的高效钠离子电容器

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近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其团队联合湖南大学教授马建民研发出基于氮硫共掺杂空心纳米带的钠离子电容器，并获得高容量和长循环寿命。在5A/g的高电流密度下循环10000次后，容量保持率接近100％。相关研究成果以Hollow Carbon Nanobelts Co-Doped with Nitrogen and Sulfur via a Self-Templated Method for a High-Performance Sodium-Ion Capacitor（《自模板法制备氮硫共掺杂空心纳米带用于高性能钠离子电容器》）为题在线发表于国际材料期刊Small上（DOI: 10.1002/smll.201902659）。

　　锂资源储量有限，且分布极为不均，使得其成本较高，从而限制了其在储能等领域的大规模应用。由于钠储量丰富、与锂接近的电化学特性，使得钠离子储能器件在规模储能等领域具有良好的应用前景。近来，因兼具廉价和高功率密度的特点，钠离子电容器受到了人们的广泛关注。钠离子电容器通常采用具有较高比表面积的碳材料作为正极，通过阴离子的表面吸附实现储能。然而，仅仅依靠这种界面双电层储能机理的正极材料容量十分有限，如能同时引入赝电容的储能机制，将极大提高钠离子电容器的综合性能。

　　基于上述考虑，唐永炳与马建民及其团队成员崔春雨、王恒、欧学武等人通过自模板法制备出一种氮硫共掺杂的空心碳纳米带材料。这种具有高比表面积的空心结构有利于阴离子的迁移和吸附，从而获得一定的吸附容量和高的倍率性能；而通过氮硫共掺杂能够贡献一定的赝电容容量，进一步提升正极材料的比容量。以氮硫共掺杂的空心碳纳米带结构作为正极，锡箔作为负极组装新型的钠离子电容器，在1 A/g的电流密度下的放电比容量达到400 mAh/g；将电流密度提升至10 A/g，该电容器的容量依然可以保持在155 mAh/g左右。此外，采用锡箔同时作为负极活性材料和集流体，简化了钠离子电容器的整体结构，进一步提高了电容器的能量密度，该钠离子电容器全电池在676 W/kg功率密度下，能量密度高达250 Wh/kg左右。该工作为发展高性能钠离子储能器件提供了新的思路。

　　该项研究得到国家自然科学基金优青项目、广东省科技计划和深圳市科技计划等的资助。

　　论文链接

钠离子电容器的结构及工作示意图及其长循环性能

唐永炳，中国科学院深圳先进技术研究院，研究员，博士生导师，功能薄膜材料研究中心主任，国家优秀青年基金获得者，广东省工程中心主任、深圳市工程实验室主任、深圳市孔雀B类人才、深圳市地方领军人才。唐永炳研究员主要从事新型储能材料及器件、功能薄膜材料的研发与应用,并取得了一系列极有价值的研究成果：（1）提出了铝箔负极及集流体一体化设计的思路，构建了基于铝负极的新型锂离子电池，显著提升了电池的能量密度并降低了电池成本。（2）采用廉价且环保的铝箔和石墨分别作为负极和正极材料，发明了新型铝-石墨双离子电池，这种电池具有高工作电压、环保易回收、成本低等优势，在储能领域具有良好的应用前景。（3）为提高铝负极在新型电池中的稳定性，带领团队进行了铝负极的结构改性和界面调控，分别研发出三维多孔铝/碳负极、具有中空界面结构的铝负极、碳包覆的纳米铝负极、活性材料/集流体/隔膜一体化的多功能电极、超快充放一体化柔性电池和多离子电池体系等。（4）将一体化设计的新思路拓展至储量丰富的碱金属离子电池体系，研发出不依赖于有限锂矿资源的环保型钠基双离子电池、钾基双离子电池，为新型高效低成本储能器件的发展开拓了新思路 。

马建民博士，湖南省杰出青年基金获得者，湖南大学岳麓学者，现任湖南大学物理与微电子科学学院教授，博士生导师，2011年获得南开大学工学博士学位,曾先后在德州大学奥斯汀分校、南洋理工大学、香港中文大学、卧龙岗大学进行博士后研究工作。多次担任国际会议主席与组委会主席。主持国家自然基金1项，湖南省自然基金1项，企业开发项目1项。发表包括Advanced Materials, ACS Nano、Small Methods、Small、Advanced Science、 Energy Storage Materials、2d Materials等国际期刊SCI论文120余篇，其中第一/通讯作者90余篇。授权发明专利15项。