中国海洋大学在水系超级电容器研究领域取得重要进展

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近日，中国海洋大学材料科学与工程学院在水系超级电容器研究方面取得重要进展，相关论文《利用氧空位和Fe-C键的耦合作用抑制非活性转变实现铁基负极的长循环寿命》（InhabitingInactiveTransitionbyCouplingFunctionofOxygenVacanciesandFe-CBondsAchievingLongCycleLifeofIron-BasedAnode）被国际顶尖期刊AdvancedMaterials（IF29.4）刊发。中国海洋大学博士生范洪光为第一作者，柳伟教授和金永成教授为共同通讯作者，中国海洋大学为唯一署名单位。

超级电容器作为能量存储器件因具有较快的充放电速率、较高的功率密度和长的循环寿命等特点已被广泛应用于智能电网、新能源汽车、风力发电和太阳能能源系统等领域。然而，随着产业的进展，有机电解液所造成的环境和安全问题使以水作为电解液的水系超级电容器再度成为研究焦点。近年来，为了提升水系超级电容器的能量密度，电池型铁基氧化物负极因其高的理论容量和宽的工作电位窗口受到广泛关注，但其缓慢的反应动力学和严重的容量衰减极大地限制了实际应用。目前该类材料的容量衰退机理主要归因于铁基氧化物材料的导电性差以及纳米颗粒团聚使材料结构稳定性降低。尽管通过与导电碳材料复合或开发碳涂层纳米结构可有效提升相关性能，但改善效果仍非常有限。因此，深入揭示并解决铁基氧化物负极的循环衰减问题，对于设计制备兼具高能量与高功率的长寿命水系超级电容器具有关键意义。

针对上述问题，研究团队提出了独特的“氧泵出”机制，构建了具有独特类果-核状结构和富含氧空位的Fe@Fe3O4(v)@Fe3C负极材料，作为超级电容器负极表现出超高的比容量和快速充放电能力。区别于传统的电极失效理论，实验和理论计算结果证明，铁基氧化物负极的失效与活性相FeOOH不可逆转变为惰性相γ-Fe2O3密切相关。值得注意的是，归功于氧空位和Fe-C键的耦合作用，这种不利的相转变在该新型负极材料中被显著抑制，使电极在24000次长循环后依然具有93.5%的高容量保留。使用这种新型铁基负极构筑的非对称超级电容器表现出127.6Whkg-1的高能量密度和低的容量衰减，从而实现了超级电容器的高能量密度和长循环寿命的并存。该工作不仅加深了目前对铁基氧化物负极衰减机制的理解，而且为设计高性能铁基氧化物负极开辟了新的途径。

柳伟教授长期从事新能源与储能材料领域的应用基础研究，近年来在国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目等资助下面向锂离子电池和超级电容器等商业储能器件开展相关电极材料的制备与应用开发。同时，面向未来应用，研发钠、钾离子电池、锌离子电池等新型高性能储能器件，探索与之匹配的新材料体系，相关研究成果分别发表在Adv.Energy.Mater.,AdvFunct.Mater.,ACSNano,EnergyStorageMater.,Small，SmallMethods等权威期刊上，本次在AdvancedMaterials上发表的研究成果是该团队在先进储能材料与器件研究领域取得的又一重要研究进展。

通讯员：范洪光

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202303360.