​湖大/帝国理工Nature子刊：安时级软包钾离子混合电容器实现6分钟快速充电

安培-小时(Ah)规模的电化学储能设备的极快充电目标是充电时间少于10分钟，以促进广泛采用。然而，由于其固有的反应机理和高电流密度下的安全隐患，这一指标在传统的锂离子电池中很难实现。

在此，湖南大学罗胜联，周海晖，帝国理工学院焦树强，赵云龙等人报道了1Ah型软包装钾离子混合型超级电容器（PIHC），它结合了电池型负极的高能量密度和电容型正极的高功率密度的优点。

具体而言，PIHC由富含缺陷、高比表面积的N掺杂碳纳米管基正极、镶嵌间距扩大的MnO量子点的碳纳米管基负极、碳酸盐基非水电解液以及无粘结剂和集电器的电池设计组成。

通过对电池配置、电极和电解液的优化，电池电压高达4.8 V，高达140 Wh kg⁻¹(以整个器件质量为基准)的高满电池比能量，充满6分钟。在10 C(10A)下循环200次后，容量保持率为88%，在25±1 ℃时的电压保持率为99%。

图1. N-CNTs@MC//MnO@CNTs 扣式全电池的电化学性能

总之，该工作对钾离子基器件进行了整体优化，实现了可快速充电的高能量密度1 Ah PIHCs软包电池，具有140 Wh kg^-1的高比能量（基于器件整质量）、优异的性能（6分钟充满电）和良好的循环稳定性（10 C条件下循环200次，容量保持率88%）等超强综合性能。

该比能量接近传统锂离子电池在 1 C 下的比能量，是 Ah 级储能设备在极速充电方面的重大突破，显示出其在耗电便携设备和电动汽车等合理电池配置方面的高度商业应用前景。通过优化孔隙率和扩大间距的结构设计，以及引入 N 掺杂和嵌有MnO 以促进表面电子再分布，成功实施了所提出的赝电容调制策略。

此外，团队还开发了一种有效的技术，用于制造轻质、耐腐蚀的独立电极，从而实现 4.8 V 的高电压和更高的整体能量密度

图2. N-CNTs@MC//MnO@CNTs Ah 软包电池的电化学性能

Ampere-hour-scale soft-package potassium-ion hybrid capacitors enabling 6-minute fast-charging, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42108-6