近日，我所催化基础国家重点实验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、高倍率的二维单晶钴酸锂研究方面取得新进展，研制出一种超薄二维单晶钴酸锂正极新材料，提升了其平台容量、首次充放电库伦效率及循环稳定性等，并进一步组装出高能量密度和高功率密度的电池型超级电容器。
钴酸锂是一种非本征赝电容材料，纳米晶钴酸锂中的纳米尺寸效应可同时影响表面氧化还原和Li⁺嵌入过程。随着晶粒尺寸的减小，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，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。

本工作中，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。研究发现，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1C时的放电容量和库仑效率（194mAh/g，92％）均高于NC-LCO（173mAh/g，86％），且SC-LCO在1C至50C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5C下循环500次后的比容量可保持到151mAh/g（容量保持率为83%），优于NC-LCO（84mAh/g，63%）。研究还发现，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（243.8Wh/kg@692.7W/kg和15kW/kg@151.3Wh/kg）。此外，团队利用该二维单晶钴酸锂新材料，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所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、延长石油-大连化物所探索性科研项目、我所创新基金等项目的资助。（文/图 邢菲菲）
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02196