巧妙的设计——“多快好省”的新型储能器件！

材料牛注：一般的能量存储器件无法同时实现大容量与快速充放电等多方面要求。佐治亚理工学院的研究者们在多孔活性炭（AC）中生成了阳极纳米颗粒钛酸锂（LTO），同时实现电池的大容量及超级电容器的快速充放电特性，仿佛抓住了一只比卡丘。

本质上，电能储存装置在能量和功率密度之间面临着艰难抉择。虽然较超级电容器而言，传统的锂离子电池可以储存更多的能量，但充电时间很长且不能将电瞬间释放。因此，最终的解决方案可能在于一种混合方法：为什么不把阳极设计成电池，阴极设计成电容器呢？佐治亚理工学院的研究小组最近设计了一个优化后的非对称解决方案，兼顾两种电荷存储机制的优点。

据课题组长Gleb Yushin所言，在研究中将具有电化学活性的纳米晶体嵌入多孔碳颗粒中，获得了高性能的电池电极。这种结构在超快充电和高能量密度的储能器件方面显示出巨大的潜力。

Yushin说：“成功合成的关键是要确保纳米晶体不阻碍通过贯通孔道的电解质。尽管最初的研究主要集中在如何将锂离子插入狭窄的纳米晶体中，但是该方法也许能同样适用于其他金属离子（Na,K,Ca,Cs 等），从而为构造高功率器件提供多种选择，以满足快速增长的产业需求。”团队成员Enbo Zhao补充说：“我们的成果论证了一种合成纳米复合粉末的方法，它简单、可扩展且可广泛应用，能够轻松替代商业化的超级电容器或电池的产品线。

Yushin与佐治亚理工的团队成员Zhao和Seth Marder，以及黑龙江大学（中国）和Sila Technologies公司的合作者，在期刊ACS Nano.最近一期发表了他们的成果。研究专注于阳极材料钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂（LTO）。研究人员直接在多孔活性炭颗粒中生成了LTO纳米颗粒。该方法显著提高了阳极颗粒间的电导率，且将LTO畴的晶体大小有效地控制在0.5~4 nm。Yushin团队依靠微调中孔活性炭和控湿化学方法，在气孔中沉积LTO前驱体，通过热合成最终制得尖晶石相。这种方法最大程度地将阳极暴露在电解质中，保持了高的表面积（超过1300 m²/g），使得快速充/放电的电化学操作得以实现。

在非对称单元设计中，佐治亚理工团队用LTO-碳复合材料作为电池的阳极（用于锂离子插入），用标准的多孔活性炭作为超级电容器的阴极（用于离子电吸附）。制成的混合电池/电容器可存储异常高的能量，甚至在350°C时还能保持高额定容量和高充放电速率（超过100 mAh/g，LTO）。该设备完全充满电只需6秒，其能量和功率密度以及系统容量，轻松超过了以往的非对称电容器，并且论证了LTO在混合储能设计中的可行性。

德雷塞尔大学的Yury Gogotsi未参与本研究。他评价说：“发展储能新材料将成就更好的电池和电化学电容器，为非常耗能的器件供电。而且重要的是，要使用可扩展的、廉价的、并且可以大规模制造的材料。”

这些研究结果表明了纳米材料封装的重要性，以及为获得更高性能而显著优化储能纳米结构的能力。虽然许多先前的研究已经描述了LTO作为阳极材料的性能，但本研究采用一个可扩展且简便的方法来证明这种材料的潜力。未来的储能设计，特别是在汽车和公共交通系统中，将需要可靠、高效且快速充放电的解决方案。类似的具有非对称电极的混合电池/电容器设计，可能成为应对高能量密度和快速电力传输两大挑战最好的解决办法。

参考原文链接：Nanocrystals embedded in nanoporous carbon increase energy-storage capacity。

文献链接：Lithium Titanate Confined in Carbon Nanopores for Asymmetric Supercapacitors。

本文由编辑部顾玥提供素材，房驰编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。