合成具有弱范德華力的硒化物實現(xiàn)高性能3D打印鈉離子混合電容器

來源：納米復合與能源材料課題組

日益發(fā)展的便攜式電子設備迫切需要能夠與之相匹配的高性能儲能設備。在眾多類型的儲能器件中，鈉離子混合電容器集成了鈉離子電池和鈉離子超級電容器的優(yōu)勢，能夠同時實現(xiàn)高能量密度、高功率密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，開發(fā)高性能鈉離子混合電容器的關鍵是解決電池型電極中緩慢的離子反應動力學與電容器型電極中快速離子吸附/解吸過程之間動力學不平衡的問題。

為此，急需開發(fā)具有優(yōu)異電子傳導和快速離子遷移能力的鈉離子電池電極材料。此外，先進的增材制造技術在提升儲能器件性能方面可發(fā)揮至關重要的作用。其中，基于擠出式的3D打印技術已被證明是一種簡便且通用的電極制備方法。然而，如何實現(xiàn)多組分油墨之間的良好兼容性以最大程度提高3D打印混合電容器的能量密度和功率密度一直是該領域的巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，江南大學劉天西教授團隊通過拓撲化學驅動合成的策略，將聚乙烯吡咯烷酮分子鏈配位介入二維硒化錸，形成金屬-聚合物凝膠網(wǎng)絡（E-ReSe2@PVPMPG）。通過不同溫度退火處理成功構建了具有強耦合界面和弱范德華力的氮摻雜碳插入的擴層二維硒化錸復合材料（E-ReSe2@INC），并通過一系列表征動態(tài)追蹤了異質界面處Re-O鍵到Re-C鍵的配位結構轉變。通過實驗結果和理論模擬均發(fā)現(xiàn)，將E-ReSe2@INC作為鈉離子混合電容器電極材料時，異質界面處的Re-C鍵實現(xiàn)了可控的界面耦合效應；同時可以作為電子的傳輸通道，大大提高了電極的電導率并加速了相應的反應動力學過程。

此外，INC層起到了支撐作用，因此擴大的ReSe2層間距實現(xiàn)了納米片層間的弱范德華力，這有助于改善儲能過程中鈉離子的擴散行為和保證電極材料良好的結構穩(wěn)定性?；谏鲜鼋Y構優(yōu)勢，E-ReSe2@INC電極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，將E-ReSe2@INC用做3D打印墨水添加劑，成功制備得到了3D打印鈉離子混合電容器，表現(xiàn)出優(yōu)異的能量和功率密度，并且可以在較寬的溫度范圍下使用。

通過拓撲化學驅動合成制備了具有強耦合界面和弱范德華力的E-ReSe2@INC復合材料，并通過一系列表征動態(tài)追蹤了異質界面處Re-O鍵到Re-C鍵的配位結構轉變。Re-C橋接鍵可以作為 ReSe2中間層和 INC 之間的電子傳輸“橋梁”和支撐“支柱”，從而提高電導率和離子擴散系數(shù)。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202110016