【集锦】能源领域最新进展：钠离子/钾离子/钙离子储能器件，蚁巢状集成电极

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钠储量丰富，成本低，安全，与化石燃料相比，更加清洁，电化学系统的效率也更高，因此电化学储存和捕获钠被认为是一种很有潜力的技术。尽管钠离子与锂离子在物理和化学上有相似之处，但在一些方面存在很大差异，因此电极材料的结构和化学结构应设计为高效的钠储存和捕获技术。

成均馆大学Ho Seok Park及Jun Young Lee 课题组介绍了用于钠离子电池(SIBs)、钠离子电容器(SICs)和电容去离子化(CDI)的碳材料结构和化学的合理设计。将碳材料分为有序碳和无序碳、纳米尺寸碳和纳米孔碳，讨论了合成参数对碳结构和化学性质的影响。这些碳材料的钠储存机理和性能与关键的结构/化学因素有关，包括层间距、晶粒尺寸、多孔性、微/纳米结构、形貌、表面化学、杂原子掺入和杂化。最后，对当前SIBs、SICs和CDI的发展障碍和未来的研究方向提出了展望。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803444

由于钙离子的多电子、优越的动力学特性以及丰富储量(锂的2500倍)，基于钙离子的设备是下一代高性能、低成本储能的理想选择。由于缺乏合适的电极材料和电解质的搭配，完整的钙离子储能装还无法获得令人满意的性能。

中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员课题组定义了多离子反应策略，以构建一个完整的钙离子储能装置，并有意采用电容-电池混合机制。得益于精心设计，它具有92毫安时每克的高可逆容量，无与伦比的速率能力，以及在室温下超过1000次循环的84%的高容量保持能力，这是目前报道的基于钙离子的储能设备的最佳性能。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201803865

析氢反应(HER)是水裂解的关键反应之一，为其开发高效、稳定的非贵金属电催化剂仍是大规模制氢的一大挑战。

北京化工大学曹达鹏及程道建团队首次报道了一种以CoP纳米阵列为核心，以N,P‐掺杂碳(NPC)为壳层(CoP/NPC/TF)，在Ti箔上生长的垂直排列的核-壳结构是一种高效的电催化剂。结果表明，在酸性和碱性溶液中，CoP/NPC/TF仅需要91 mV和80 mV的过电位即可驱动电流密度为10mA cm ^{– 2}。电化学测试和理论计算表明，CoP纳米棒核和多孔NPC壳层的协同作用显著提高了其性能，因为多孔NPC壳层的引入不仅提供了更多的活性中心，而且提高了样品在酸性和碱性溶液中的电导率和耐久性。密度泛函理论计算进一步表明，COP/NPC中N和P原子之间的所有C原子都是最有效的活性中心，这极大地提高了HER的性能。本工作中活性物种的识别为设计和合成低成本、高效率、高活性的COP基电催化剂提供了一种有效的策略。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201803970

一种基于钾离子(K+)的混合离子电容器(HIC)是一种新型的大功率中间能源设备件，它可能在拉贡图空间中占据独特的位置。

克拉克森大学的David Mitlin及电子科技大学的吴孟强团队提供了钾离子电容器(KIC)与已知的钠离子电容器的直接性能比较。实验采用非对称结构进行，该结构基于块状离子插入、部分有序、致密碳阳极(硬碳，HC)对富含N‐和O‐的离子吸附、高表面积、阴极(活性炭，AC)。同时分析了一种经典的对称“超级电容式”AC-AC结构。对于不对称的钾离子基HC-AC器件，离子插入阳极有明显的高速率限制，使其远远低于钠基HC-AC器件。一个更大的充放电滞后(过电位)，材料显示出超过一个数量级的阻抗以及较差的循环能力。然而，基于钾离子的AC-AC设备获得了与基于钠离子同等设备相当的的能量、功率和可循环性。因此，尽管KICs在科学上非常有趣，但需要做更多的工作来调整“钠离子——继承”致密碳阳极和电解质的结构，以获得满意的K离子插入。相反，利用现有的许多高表面积吸附碳进行快速K应用是有可能的。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802272

分级多孔材料(HPM)由于其多孔结构有利于电解质的渗透和离子的扩散来提高电化学性能，在不同的应用领域中均被广泛应用。然而，实现HPM的多维可控合成，包括材料种类、材料成分、支撑基板以及孔径/分布，仍然是一个巨大的挑战。

郑州大学张鹏及大连民族大学张振翼团队首次提出了一种以天然蚁巢为灵感的HPM生物几何结构的新概念。此外，还提出了一种简便、通用的方法来实现蚁巢结构HPM的多维可控合成。进一步研究表明，在超级电容器中，在多孔集电体上原位构建蚁巢结构碳基集成电极，与普通粉末和独立式材料相比，可分别提高近70%和45%的比电容。此外，该合成路线可以方便地扩展到获得蚁巢结构的CuOx，该结构对葡萄糖检测的灵敏度提高了5倍。这种仿生分层多孔结构在电化学应用领域具有重要意义。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201808994