安培-小時(shí)(Ah)規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的極快充電目標(biāo)是充電時(shí)間少于10分鐘，以促進(jìn)廣泛采用。然而，由于其固有的反應(yīng)機(jī)理和高電流密度下的安全隱患，這一指標(biāo)在傳統(tǒng)的鋰離子電池中很難實(shí)現(xiàn)。

在此，湖南大學(xué)羅勝聯(lián)，周海暉，帝國(guó)理工學(xué)院焦樹強(qiáng)，趙云龍等人報(bào)道了1Ah型軟包裝鉀離子混合型超級(jí)電容器（PIHC），它結(jié)合了電池型負(fù)極的高能量密度和電容型正極的高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。

具體而言，PIHC由富含缺陷、高比表面積的N摻雜碳納米管基正極、鑲嵌間距擴(kuò)大的MnO量子點(diǎn)的碳納米管基負(fù)極、碳酸鹽基非水電解液以及無粘結(jié)劑和集電器的電池設(shè)計(jì)組成。

通過對(duì)電池配置、電極和電解液的優(yōu)化，電池電壓高達(dá)4.8 V，高達(dá)140 Wh kg^?1(以整個(gè)器件質(zhì)量為基準(zhǔn))的高滿電池比能量，充滿6分鐘。在10 C(10A)下循環(huán)200次后，容量保持率為88%，在25±1 ℃時(shí)的電壓保持率為99%。

圖1. N-CNTs@MC//MnO@CNTs 扣式全電池的電化學(xué)性能

總之，該工作對(duì)鉀離子基器件進(jìn)行了整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了可快速充電的高能量密度1 Ah PIHCs軟包電池，具有140 Wh kg^-1的高比能量（基于器件整質(zhì)量）、優(yōu)異的性能（6分鐘充滿電）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（10 C條件下循環(huán)200次，容量保持率88%）等超強(qiáng)綜合性能。

該比能量接近傳統(tǒng)鋰離子電池在 1 C 下的比能量，是 Ah 級(jí)儲(chǔ)能設(shè)備在極速充電方面的重大突破，顯示出其在耗電便攜設(shè)備和電動(dòng)汽車等合理電池配置方面的高度商業(yè)應(yīng)用前景。通過優(yōu)化孔隙率和擴(kuò)大間距的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及引入 N 摻雜和嵌有MnO 以促進(jìn)表面電子再分布，成功實(shí)施了所提出的贗電容調(diào)制策略。

此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種有效的技術(shù)，用于制造輕質(zhì)、耐腐蝕的獨(dú)立電極，從而實(shí)現(xiàn) 4.8 V 的高電壓和更高的整體能量密度

圖2. N-CNTs@MC//MnO@CNTs Ah 軟包電池的電化學(xué)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