【研究背景】

隨著可再生能源與先進(jìn)電子設(shè)備持續(xù)發(fā)展，能源領(lǐng)域?qū)婢吒弑菊靼踩?、高能?功率密度的可持續(xù)儲能系統(tǒng)提出迫切需求。在眾多前沿儲能技術(shù)中，水系鋰離子混合電容器（ALIHCs）以高安全的水系電解液為介質(zhì)，耦合高能量電池型電極與高功率電容型電極，被視為填補(bǔ)水系電池與超級電容器性能鴻溝的極佳方案。

然而，從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用，ALIHCs的能量密度的躍升依然受限于兩大核心瓶頸：其一，低電位負(fù)極的缺失，限制器件工作電壓。當(dāng)前，盡管基于MnO2等材料的贗電容正極已展現(xiàn)出優(yōu)異的容量與動力學(xué)，但尋求與其高度匹配的負(fù)極材料仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。若采用傳統(tǒng)碳基電容負(fù)極，器件整體能量密度將難以逾越30 Wh kg-1的關(guān)口；而若轉(zhuǎn)向鐵基、釩基等電池型負(fù)極，其相對較正的熱力學(xué)工作電位（通常 > -0.8 V vs. SCE）又會將全電池電壓限制在2.0 V以內(nèi)，使得能量密度始終在30-50 Wh kg-1徘徊。

其二，正負(fù)極之間固有的動力學(xué)失配嚴(yán)重制約器件倍率與壽命。電池型負(fù)極體相內(nèi)緩慢的離子擴(kuò)散遲滯，與電容型正極表面極速的電荷存儲行為之間，存在著不可逾越的“節(jié)奏差”。這種動力學(xué)上的嚴(yán)重失配，不僅會導(dǎo)致器件在高倍率運(yùn)行時極化加劇、容量驟降，更會導(dǎo)致其長期循環(huán)過程中微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的下降。

在此背景下，如何開發(fā)出兼顧極低工作電位與極速離子傳導(dǎo)動力學(xué)的創(chuàng)新型負(fù)極，并從全局視角優(yōu)化其與正極的界面協(xié)同，是打破現(xiàn)有ALIHCs發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。

【工作簡介】

面對上述難題，武漢理工大學(xué)夏佳樂、劉金平教授與華中科技大學(xué)李園園團(tuán)隊提出了一種全新的器件構(gòu)型策略，以“2.5 V High-Energy Aqueous Lithium-Ion Hybrid Capacitors Using a Sodium Titanate Intercalation Anode and a Pseudocapacitive Manganese Dioxide Cathode”為題，在國際頂級期刊Nano Letters上發(fā)表最新研究成果。

該研究跳出傳統(tǒng)尋材路徑，創(chuàng)造性地將富含氧空位的層狀鈦酸鈉（NTO）插層負(fù)極，與無粘結(jié)劑架構(gòu)的贗電容二氧化錳（預(yù)鋰化δ-MnO2@SWCNT）正極強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。這一設(shè)計的革新，破解了水系器件電壓受限與正負(fù)極動力學(xué)失配的交叉難題。利用聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質(zhì)的協(xié)同界面保護(hù)，團(tuán)隊成功構(gòu)筑了一款工作電壓高達(dá)2.5 V的超高壓水系鋰離子混合電容器。該器件展現(xiàn)出70.74 Wh kg-1的超高能量密度與11,500 W kg-1的高功率密度，性能指標(biāo)全面領(lǐng)跑現(xiàn)有的ALIHCs體系，即便在嚴(yán)苛的高活性物質(zhì)負(fù)載下依然表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，為水系儲能向高比能邁進(jìn)提供了堅實的器件工程范式。

【核心結(jié)論】

本研究提出并驗證了一種有效策略，成功解決了水系儲能器件中工作電壓與動力學(xué)穩(wěn)定性之間的固有矛盾。其核心在于，將經(jīng)過缺陷工程調(diào)控的NTO低電位插層負(fù)極，與結(jié)構(gòu)一體化的無粘結(jié)劑贗電容正極進(jìn)行系統(tǒng)性匹配。這一設(shè)計不僅從根本上解決了傳統(tǒng)水系混合電容器（ALIHCs）中長期存在的正負(fù)極動力學(xué)失配問題，同時將器件的工作電壓窗口成功拓寬至2.5 V。所構(gòu)筑的器件實現(xiàn)了70.74 Wh kg-1的高能量密度，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，證實了該技術(shù)路線的工程可行性。該工作為鈦基負(fù)極材料在水系儲能領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新途徑，同時對未來高安全、高能量密度水系儲能器件的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)價值。