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近日，山東大學材料科學與工程學院先進能源材料實驗室王儒濤教授課題組在金屬離子電容器動力學匹配取得新進展，相關研究成果以“Hexaindium Heptasulfide/Nitrogen and Sulfur Co-doped Carbon Hollow Microspindles with Ultrahigh-Rate Sodium Storage Through the Stable Conversion and Alloying Reactions”為題，在國際期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202211611；IF:32.086)上在線全文發(fā)表。材料科學與工程學院2020級碩士研究生朱春艷為第一作者，山東大學王儒濤教授、林曉航教授、華明昊博士和中科院上硅所王世杰博士為該論文共同通訊作者。山東大學為該論文第一完成單位。

金屬離子電容器屬于典型的混合型超級電容器，具有比常規(guī)超級電容器能量密度大，比電池功率密度高的優(yōu)點，可廣泛應用于軌道交通、智能電網等領域。然而，正是由于器件特有的“電池—電容”混合交叉設計，正負極材料動力學不匹配成為了制約高比能、長壽命金屬離子電容器的關鍵科學問題。因此，發(fā)展超高倍率特性的陽極材料是解決該問題的關鍵。

據此，課題組采用金屬有機骨架化學物（MIL-68-In）作為前驅體，通過原位硫化反應合成了一種多孔In6S7/C納米復合材料。其獨特的結構，不僅可以縮短Na+擴散路徑和提供較多的活性位點，還可以有效地緩解充放電過程中的體積膨脹。在比容量、首次庫侖效率、大電流放電能力和循環(huán)穩(wěn)定性等性能指標方面，In6S7/C陽極都表現(xiàn)出優(yōu)異的Na+存儲特性。原位/非原位分析技術和理論計算進一步闡明了In6S7/C陽極的轉化和合金化復合儲鈉機制。采用In6S7/C材料作為負極組裝的鈉離子電容器，能夠提供136.3 Wh/kg的高能量密度，47 kW/kg-1的高功率密度以及超過兩萬次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)性能。三電極動態(tài)電位檢測結果證實了該鈉離子電容器的這些優(yōu)異特性主要歸因于In6S7/C HMS負極與活性炭正極的動力學匹配和穩(wěn)定的Na+存儲行為。

該工作的創(chuàng)新點在于突破電池型材料動力學無法匹配于電容型炭材料的認識局限，首次在合金-轉化復合型電池負極與電容炭正極之間實現(xiàn)動力學匹配，為新型超高倍率負極材料的設計和開發(fā)用于下一代快充電化學儲能裝置提供了思路。

研究過程中申請國家發(fā)明專利3項，已授權1項。該論文全程得到材料學院先進能源材料實驗室尹龍衛(wèi)教授的指導以及實驗室全體成員大力支持。本工作得到國家自然科學基金青年/面上項目、山東省高等學校“青創(chuàng)科技計劃”、山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項目、山東大學齊魯青年學者計劃、山東大學先進材料測試與制造公共平臺的支持。

原文連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211611