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用于实现钠离子电容器动力学匹配的快充铋碳复合负极OA

A fast bismuth-carbon composite anode for achieving kinetic match-ing between the anode and cathode of sodium-ion capacitors

中文摘要英文摘要

钠离子电容器通常采用混合型设计,其负极基于电池型的法拉第氧化还原反应,而正极则使用依靠双电层吸附/脱附机制工作的活性炭.然而,法拉第过程的本征动力学远慢于双电层过程,这导致了两极之间的动力学失配,成为制约高性能钠离子电容器发展的一个根本性挑战.为缓解该问题,本研究通过高温烧结法合成了氮掺杂碳包覆的铋纳米颗粒复合材料(Bi@NC).Bi@NC负极在 0.5 A g-1 电流密度下比容量达到 300 mAh g-1,并表现出优异的倍率性能(在超过 75 A g-1 的高电流下仍保持良好性能)以及长达 12 000次的循环稳定性.对三电极体系中各电极电位窗口(相对于 Na/Na+)的分析证实,Bi@NC 有效缩小了其与活性炭正极之间的动力学差距.基于此负极材料组装的钠离子电容器表现出 115 Wh kg-1 的最大能量密度与 45 535 W kg-1 的最大功率密度,以及超过 8000次循环的长寿命性能.

Sodium-ion capacitors(SICs)typically feature a hybrid design,incorporating a battery-type anode that operates by faradaic redox reactions and an activated carbon cathode that functions through electrical double-layer(EDL)adsorption/desorption.However,the kinetics of faradaic processes are in-herently slower than those of EDL processes,lead-ing to a fundamental problem known as kinetic im-balance between the electrodes,which hinders the development of high-performance SICs.To address this,we synthesized composites of bismuth nano-particles in N-doped carbon(Bi@NC)by a high-temperature sintering method.The resulting Bi@NC anode has a specific capacity of 300 mAh g-1 at 0.5 A g-1,an exceptional rate capability(maintaining performance at currents exceeding 75 A g-1),and outstanding cycling sta-bility over 12 000 cycles.Three-electrode Swagelok cell tests revealed that this high-rate Bi@NC composite effectively de-creases the kinetic gap with the activated carbon cathode,as shown by an analysis of their respective potential swing windows(vs.Na/Na+).This enables the fabricated SIC to achieve a maximum energy density of 115 Wh kg-1,a peak power density of 45 535 W kg-1,and a long cycle life exceeding 8 000 cycles.

满效阁;王儒涛;黄欣莉;闵新悦;严毅杰;石元昌;李涛;王成祥;张志薇;尹龙卫

山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061||南开大学 先进能源材料化学教育部重点实验室,天津 300071山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061南开大学 先进能源材料化学教育部重点实验室,天津 300071||徐州工业职业技术学院 材料工程学院,江苏 徐州 221140山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南,250061

化学化工

铋金属负极碳复合材料钠离子电容器合金型负极钠离子存储

Bismuth anodeCarbon compositesSodium-ion capacitorsAlloying anodeSodium-ion storage

《新型炭材料(中英文)》 2026 (2)

393-407,15

This work was supported by the National Natur-al Science Foundation of China(52572241,52272224 and 52402280). 国家自然科学基金(52572241、52272224、52402280).

10.1016/S1872-5805(26)61072-4

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