4月10日，菠菜导航网228118、汽车材料教育部重点实验室郎兴友教授在《自然》子刊《自然-通讯》发表题为“Extraordinary pseudocapacitive energy storage triggered by phase transformation in hierarchical vanadium oxides”的研究论文。
超级电容器是一类功率密度高、充放电速率快的新型储能器件，有望取代或辅助电池广泛应用于高功率和快速充放电需求的电动汽车、移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域。然而，超级电容器的能量存储密度因其表面储能机制而远低于电池，成为限制其实际推广应用的瓶颈。过渡金属氧化物的理论比容量高，其大比表面积的纳米结构有望在超级电容器中实现高能量密度存储。但目前报道的过渡金属氧化物导电性差、依赖粘结剂组装的多相复合纳米结构电极系统内阻大、电解液传输困难；此外，受限于小孔径间隙，过渡金属氧化物在快速充放电过程中难以接纳阳离子实现体内存储。这些因素均严重限制了该类材料在超级电容器中高密度电荷存储。
鉴于当前储能材料本身进展缓慢，围绕上述关键动力学问题设计兼具优越电子输运和离子传输性能的电极系统是超级电容器在快速充放电时实现电池容量的关键。在前期工作中，郎兴友教授针对过渡金属氧化物导电性差和电解液传输困难等问题，提出了以互连互通三维金属网络多孔结构改善过渡金属氧化物电子输运性能，其中大孔改善电解液离子传输，小孔增加氧化物/电解液反应面积（正比于超级电容器储能密度）的思路，构建了以纳米多孔金属为导电介质的多模式纳米孔金属/氧化物复合电极，提高了过渡金属氧化物的在快速充电时的能量存储密度(Nature Nanotechnol. 6, 232-236, 2011)。
进一步，针对组装的纳米结构多相复合电极系统内阻大，在保证电解液传输的大比表面积和多模式多孔结构等前提下，提出了纳米多孔复合电极一体化策略，发展了原位合金化/脱合金化方法，实现了纳米多孔金属基复合电极系统的无缝集成，显著降低了电极中集流体与导电介质以及导电介质与氧化物之间的接触电阻，最大程度上降低了电化学器件内阻(Nature Commun.4,2169,2013)。
最后，针对过渡金属氧化物因阳离子嵌入性差而仅限域于低密度的表面储能问题，发展了扩大孔隙尺寸、在改善阳离子在固体内部的扩散动力学的同时，增加其嵌入深度、将二维储能扩展至三维储能的方法，以实现更高能量密度存储的目标。通过相变驱动与界面调控结合的技术获得了有序缺陷的大直径离子传输孔道、兼具高电子/离子输运与体扩散的钒氧化物电极材料。基于该全氧化物电极材料的超级电容器，其能量密度达到商用锂薄膜电池的水平，而功率密度则为锂薄膜电池的约104倍(Nature Commun.9,1375,2018)。
上述电极材料动力学问题的解决方案为所有电化学能量存储装置提供了有益的启示，为发展兼具高功率和高能量密度的新型储能器件提供了全新思路。
该项研究工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金和重点项目、国家教育部“双一流建设”项目、吉林大学高层次科技创新团队建设项目的资助。论文的共同第一作者为菠菜导航网228118博士研究生刘博天和石香梅。
Extraordinary pseudocapacitive energy storage triggered by phase transformation in hierarchical vanadium oxides，Nature Communications 9,1375(2018).
DOI: 10.1038/s41467-018-03700-3
全文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-018-03700-3
