鋰離子電池和超級電容器是常用的電化學儲能器件。傳統鋰離子電池受限于遲緩的體相反應，功率性能較差；超級電容器利用快速表面過程存儲電荷，能量密度較低，這兩個“種子選手”并不適用于對能量和功率密度都有較高要求的應用場景。

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥團隊在混合型電化學儲能器件研制方面取得新進展，構建出具有與鋰離子電池類似的搖椅式工作機理的電池—超級電容器混合儲能器件，并通過電極容量和動力學“雙匹配”策略，實現了器件的能量和功率密度“雙高”。相關研究結果發表于《能源與環境科學》。

“將電池電極和超級電容器電極集成在一個器件內，結合兩種儲能機理的優點，獲得能量和功率密度‘雙高’的電池—超級電容器混合儲能器件并不是一個全新的想法。事實上，不少國際團隊正在為之努力。” 吳忠帥說。

以往，研究人員主要使用電池型負極和雙電層電容型正極，但基于此構建的器件構型充放電過程所需的離子由電解液提供，導致電解液用量大。此外，電池—超級電容器混合儲能器件的性能還受到電池型電極和電容型電極之間極不匹配的電荷存儲容量和電極動力學因素的嚴重制約。

該研究中，團隊選取具有本征鋰離子插層贗電容性質的正交五氧化二鈮為負極，鎳鈷鋁三元氧化物鋰離子電池材料為正極，讓鋰離子在正負極之間來回穿梭，構建了搖椅式鋰離子電池—超級電容器混合儲能器件。該器件中，正負極皆擁有來自氧化還原反應的高容量。此外，負極的多孔納米花結構可以促進電解液的浸潤和傳輸，提升電極倍率性能。但納米結構應用于高壓正極可能會帶來非活性表面重構以及不穩定的電極/電解液界面等問題，為此研究團隊構筑了一個由一維碳納米管、二維電化學剝離石墨烯以及導電聚合物黏結劑構成的三維導電網絡，可以協同降低充放電過程中的內阻和極化，最終使正負極具有高度匹配的容量和倍率性能。

據介紹，該儲能器件的性能優于以往報道的具有搖椅式構型的鋰離子電池—超級電容器混合儲能器件，同時也優于電極容量或動力學不匹配的其他混合儲能器件，為“雙高”混合儲能器件的構型設計和電極優化策略提供了新思路。