合成具有弱范德华力的硒化物实现高性能3D打印钠离子混合电容器

时间：2022-01-25 20:25 来源：纳米复合与能源材料课题组作者：admin 阅读：次

日益发展的便携式电子设备迫切需要能够与之相匹配的高性能储能设备。在众多类型的储能器件中，钠离子混合电容器集成了钠离子电池和钠离子超级电容器的优势，能够同时实现高能量密度、高功率密度和优异的循环稳定性。然而，开发高性能钠离子混合电容器的关键是解决电池型电极中缓慢的离子反应动力学与电容器型电极中快速离子吸附/解吸过程之间动力学不平衡的问题。
为此，急需开发具有优异电子传导和快速离子迁移能力的钠离子电池电极材料。此外，先进的增材制造技术在提升储能器件性能方面可发挥至关重要的作用。其中，基于挤出式的3D打印技术已被证明是一种简便且通用的电极制备方法。然而，如何实现多组分油墨之间的良好兼容性以最大程度提高3D打印混合电容器的能量密度和功率密度一直是该领域的巨大挑战。

鉴于此，江南大学刘天西教授团队通过拓扑化学驱动合成的策略，将聚乙烯吡咯烷酮分子链配位介入二维硒化铼，形成金属-聚合物凝胶网络（E-ReSe2@PVPMPG）。通过不同温度退火处理成功构建了具有强耦合界面和弱范德华力的氮掺杂碳插入的扩层二维硒化铼复合材料（E-ReSe2@INC），并通过一系列表征动态追踪了异质界面处Re-O键到Re-C键的配位结构转变。通过实验结果和理论模拟均发现，将E-ReSe2@INC作为钠离子混合电容器电极材料时，异质界面处的Re-C键实现了可控的界面耦合效应；同时可以作为电子的传输通道，大大提高了电极的电导率并加速了相应的反应动力学过程。

此外，INC层起到了支撑作用，因此扩大的ReSe2层间距实现了纳米片层间的弱范德华力，这有助于改善储能过程中钠离子的扩散行为和保证电极材料良好的结构稳定性。基于上述结构优势，E-ReSe2@INC电极材料表现出了优异的倍率性能和稳定的循环性能。此外，将E-ReSe2@INC用做3D打印墨水添加剂，成功制备得到了3D打印钠离子混合电容器，表现出优异的能量和功率密度，并且可以在较宽的温度范围下使用。

通过拓扑化学驱动合成制备了具有强耦合界面和弱范德华力的E-ReSe2@INC复合材料，并通过一系列表征动态追踪了异质界面处Re-O键到Re-C键的配位结构转变。Re-C桥接键可以作为 ReSe2中间层和 INC 之间的电子传输“桥梁”和支撑“支柱”，从而提高电导率和离子扩散系数。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202110016

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