4月10日，伟德bv1946、汽車材料教育部重點實驗室郎興友教授在《自然》子刊《自然-通訊》發表題為“Extraordinary pseudocapacitive energy storage triggered by phase transformation in hierarchical vanadium oxides”的研究論文。
超級電容器是一類功率密度高、充放電速率快的新型儲能器件，有望取代或輔助電池廣泛應用于高功率和快速充放電需求的電動汽車、移動通訊、信息技術、航空航天和國防科技等領域。然而，超級電容器的能量存儲密度因其表面儲能機制而遠低于電池，成為限制其實際推廣應用的瓶頸。過渡金屬氧化物的理論比容量高，其大比表面積的納米結構有望在超級電容器中實現高能量密度存儲。但目前報道的過渡金屬氧化物導電性差、依賴粘結劑組裝的多相複合納米結構電極系統内阻大、電解液傳輸困難；此外，受限于小孔徑間隙，過渡金屬氧化物在快速充放電過程中難以接納陽離子實現體内存儲。這些因素均嚴重限制了該類材料在超級電容器中高密度電荷存儲。
鑒于當前儲能材料本身進展緩慢，圍繞上述關鍵動力學問題設計兼具優越電子輸運和離子傳輸性能的電極系統是超級電容器在快速充放電時實現電池容量的關鍵。在前期工作中，郎興友教授針對過渡金屬氧化物導電性差和電解液傳輸困難等問題，提出了以互連互通三維金屬網絡多孔結構改善過渡金屬氧化物電子輸運性能，其中大孔改善電解液離子傳輸，小孔增加氧化物/電解液反應面積（正比于超級電容器儲能密度）的思路，構建了以納米多孔金屬為導電介質的多模式納米孔金屬/氧化物複合電極，提高了過渡金屬氧化物的在快速充電時的能量存儲密度(Nature Nanotechnol. 6, 232-236, 2011)。
進一步，針對組裝的納米結構多相複合電極系統内阻大，在保證電解液傳輸的大比表面積和多模式多孔結構等前提下，提出了納米多孔複合電極一體化策略，發展了原位合金化/脫合金化方法，實現了納米多孔金屬基複合電極系統的無縫集成，顯著降低了電極中集流體與導電介質以及導電介質與氧化物之間的接觸電阻，最大程度上降低了電化學器件内阻(Nature Commun.4,2169,2013)。
最後，針對過渡金屬氧化物因陽離子嵌入性差而僅限域于低密度的表面儲能問題，發展了擴大孔隙尺寸、在改善陽離子在固體内部的擴散動力學的同時，增加其嵌入深度、将二維儲能擴展至三維儲能的方法，以實現更高能量密度存儲的目标。通過相變驅動與界面調控結合的技術獲得了有序缺陷的大直徑離子傳輸孔道、兼具高電子/離子輸運與體擴散的釩氧化物電極材料。基于該全氧化物電極材料的超級電容器，其能量密度達到商用锂薄膜電池的水平，而功率密度則為锂薄膜電池的約104倍(Nature Commun.9,1375,2018)。
上述電極材料動力學問題的解決方案為所有電化學能量存儲裝置提供了有益的啟示，為發展兼具高功率和高能量密度的新型儲能器件提供了全新思路。
該項研究工作得到了國家自然科學基金委優秀青年科學基金和重點項目、國家教育部“雙一流建設”項目、國家“萬人計劃”青年拔尖人才、伟德bv1946官网高層次科技創新團隊建設項目的資助。論文的共同第一作者為伟德bv1946博士研究生劉博天和石香梅。
Extraordinary pseudocapacitive energy storage triggered by phase transformation in hierarchical vanadium oxides，Nature Communications 9,1375(2018).
DOI: 10.1038/s41467-018-03700-3
全文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-018-03700-3
