《J. Mater. Chem. A》：界面工程协同调控分层互连异质结构助力高性能水系钾离子混合电容器
Ultrathin NiO Nanosheets Anchored to A Nitrogen-Doped Dodecahedral Carbon Framework for Aqueous Potassium-Ion Hybrid Capacitors
Tianlu Wang+, Wei Zong+, Jieru Yang+, Leiqian Zhang, Jian Meng, Jiale Ge, Guozheng Yang, Jianguo Ren, Peng He, Elke Debroye, Jean-François Gohy, Tianxi Liu*, Feili Lai*
J. Mater. Chem. A 2024, DOI: 10.1039/D4TA01608D
电动汽车和大规模智能电网的需求不断增长，推动了高功率和高能量密度储能设备的发展。由于K/K+的氧化还原电位较低，且天然存在丰富的钾资源，水系钾离子混合电容器（APIHC）已成为一种颇具吸引力的替代储能设备。同时APIHC还具有高安全性、环保性和高离子导电性的先天优势。然而，K+的半径相对较大，导致APIHCs的离子传输动力学缓慢、结构破坏不可逆、存储性能较差，给钾离子存储设备的开发带来了巨大障碍。过渡金属氧化物（TMOs）因其成本低、数量多、容量大而被认为是APIHCs的可靠电极活性材料。设计合理的碳材料基底可以防止活性材料发生明显的团聚现象，提供机械灵活性和丰富的导电途径，并提高电化学存储性能。通过调节电解质的扩散行为和在异质界面上构建耦合相互作用，可以提高储能性能。因此，在电活性材料和碳载体之间建立紧密的相互作用对提升电化学存储性能至关重要。
近期，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组利用氮掺杂策略和多组分界面调控手段设计了一种由锚定在氮掺杂分层多孔碳上的超薄NiO纳米片组成的纳米复合材料（NiO/N-HPC），并将其应用于构建水系钾离子混合电容器。具有丰富孔隙的十二面体碳载体的独特结构实现了超薄NiO纳米片的均匀分布，促进了活性位点的可及性和暴露度，并具展现出优异的循环稳定性。NiO/N-HPC的分层和互连结构促进了电解质的有效渗透和扩散，缩短了离子传输通道，加快了反应动力学。此外，通过在碳表面引入氮掺杂，可以构建出色的金属氧化物-碳相互作用，从而在NiO和N-HPC之间产生界面耦合效应，促进电子/离子传输。因此，在0.5 M K2SO4中，当电流密度为0.5 A g-1时，NiO/N-HPC显示出126.4 F g-1的增强电容。此外，在2 A g-1的电流密度下，所制备的NiO/N-HPC//N-HPC APIHC在8000次循环后实现了91.6%的超高电容保持率。同时，NiO/N-HPC//N-HPC APIHC显示出21.95 Wh kg-1的优异能量密度和9000 W kg-1的优异功率密度。这项研究为设计具有分层结构的TMOs/碳杂化物以制造高性能水系钾离子混合电容器提供了新思路。
本论文主要第一作者为化工学院硕士研究生王添禄，通讯作者为江南大学刘天西教授、上海交通大学赖飞立副教授。
论文连接：https://doi.org/10.1039/D4TA01608D
