我室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队在构筑兼具高容量高倍率二维单晶钴酸锂方面取得新进展，设计并制备出一种超薄二维单晶钴酸锂正极新材料，显著提升了其平台容量、首次充放电库伦效率及循环稳定性，并研制出高能量密度和高功率密度电池型超级电容器。
钴酸锂作为非本征赝电容材料，纳米晶钴酸锂中的纳米尺寸效应同时会显著影响表面氧化还原和Li+嵌入过程。随着微晶尺寸的减小，更多的Li+嵌入过程被表面氧化还原过程取代，从而导致平台容量降低、初始库仑效率低和循环性能差等缺点，极大地限制了纳米结构钴酸锂材料在高性能电池型超级电容器中的广泛应用。
该团队通过精确调控Li+嵌入距离和暴露平面，合成了微米尺寸（001）取向的单晶钴酸锂纳米片（SC-LCO），以最大限度地减弱纳米尺寸效应。与初级粒子随机堆积的介孔纳米晶钴酸锂纳米片（NC-LCO）相比，SC-LCO具有更长的Li+嵌入距离和更稳定的（001）面主导晶面。值得注意的是，SC-LCO在1 C时的放电容量和库仑效率（194 mAh g-1，92％）均高于NC-LCO（173 mAh g-1，86％），且SC-LCO在1 C至50 C倍率下的放电容量始终高于NC-LCO。同时，SC-LCO的循环性能也显著提高，其在5 C下循环500次后的比容量可保持到151 mAh g-1（容量保持率为83%），优于NC-LCO（84 mAh g-1，63%）。更重要的是，介孔TiNb2O7纳米片（mTNO）负极的容量和动力学在不同倍率下与SC-LCO正极匹配，可实现高比能和高功率电池型超级电容器（243.8 Wh kg-1@692.7 W kg-1和15 kW kg-1@151.3 Wh kg-1），这优于之前报道的电池型超级电容器。我们同时还组装了mTNO||SC-LCO软包型全电池，证明了该策略的实用性。
相关研究成果以“Regulating the Nanosize Effect of LiCoO2 for High-Performance Battery-Supercapacitor Hybrid Devices”为题，于近日发表在ACS Energy Letters上。该工作的第一作者是我室508组博士研究生邢菲菲。上述工作得到了国家自然科学基金、大连化物所科研创新基金、延长石油-大连化物所探索性科研项目等资助。（文/图 邢菲菲）
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02196
