一般而言，鋰離子電容器由超級電容器正極和鋰離子電池負極組成，兩側電極分別遵守各自的工作原理，從而達到極提高電容器的能量密度和功率密度的目的。

近日，中科大、中科院和德國Max Planck固體研究所共同研發了一種基于Li3VO4/N摻雜石墨納米線的高比能鋰離子電池容器，該電容器在532W/kg的功率密度下，能量密度可達136.4Wh/kg，目前該成果已經發表在了最新一期的advanced material上。

Li3VO4材料相比于Li4Ti5O12、TiO2、H2Ti6O13等材料，具有嵌鋰電壓平臺低（0.2-1.0V），容量高（394mAh/g）的特點，同時還具有充放電過程中結構和體積變化小的優點，這都使得其非常適合作為鋰離子電容器的負極材料，但是Li3VO4材料的電導率很低（<10-10S/cm），這也極大的限制了Li+的嵌入反應速度，限制了鋰離子電容器的功率密度。碳涂層和納米化等手段都是常用的提高材料電導率的方法。為了改善Li3VO4材料的電導率，Laifa Shen利用上圖所示的方法合成了具有豌豆莢結構的Li3VO4/N摻雜石墨復合納米線，該結構很好的克服了Li3VO4材料的電導率低的缺點，具有很高的Li+和電子擴散速度。以該材料為負極，碳材料為正極組合成為鋰離子電容器，比能量可達到136.4Wh/kg（在功率密度532W/kg下）。

Li3VO4材料的嵌鋰反應方程式如下圖所示，在循環伏安測試中還原電流峰分別出現在了0.73V和0.53V，氧化電流峰分別出現了0.76V和1.34V。值得注意的是，除了首次循環，其他幾次循環的曲線都完全重疊。

Li3VO4材料的電化學性能測試結果如下圖所示，圖a為充放電曲線，其首次放電容量和充電容量分別為529mAh/g和413mAh/g，圖b為倍率性能測試，從測試結果上可以看到，在1、2、4和8A/g的電流密度下，該材料的容量可達372、354、333和300mAh/g，在12和20A/g的大電流密度下，材料的放電容量仍然可達271和203mAh/g，表明該材料具有非常良好的倍率性能。從圖c循環性能可以看到，該材料具有非常優異的循環性能，在320mAh/g的電流密度下，循環500次容量保持率可達96%，循環1500次容量保持率可達88%。

Laifa Shen認為Li3VO4/N摻雜石墨復合納米線如此優異的電化學性能可能是得益于其獨特結構，內部的N摻雜石墨在材料內部形成了非常好的電子導電網絡，外部包覆的石墨材料能夠很好的抑制Li3VO4材料的團聚和長大，保持了其納米結構，因此大大縮短了Li+和e-的擴散距離，從而提高了材料的倍率性能和循環壽命。

根據第一性計算，LaifaShen認為在Li3VO4晶體中，Li+可以嵌入到2a和4b點位，但是更傾向于2a點位。Li+擴散到2a和4b點位的勢壘如圖c和d所示，可以看到，Li+進入到2a點位的勢壘要明顯低于擴散到4b點位，同時我們也主要道隨著材料中Li+濃度的增加，Li+的擴散的勢壘也在增加。計算還顯示，即使Li3VO4晶體的每個晶胞中嵌入兩個Li+，其體積膨脹也僅為4%，這也保證了Li3VO4材料良好的循環性能。

利用Li3VO4材料制成的鋰離子電容器如下圖所示，正極為活性炭、負極為Li3VO4材料。該電容器的工作電壓最大可達4.2V，將充電電壓從3.0V提高到4.0V，該電容器的比能量可以從25.5Wh/kg提高到120.2Wh/kg，能量密度提升高達470%。

該電容器的功率密度與能量密度的關系如下圖所示，在532W/kg的功率密度下，能量密度可達136.4Wh/kg，即便在11020W/kg的功率密度下，比能量仍然可達24.4Wh/kg，這要遠高于其他類型的鋰離子電容器。

該電容器的功率密度與能量密度的關系如下圖所示，在532W/kg的功率密度下，能量密度可達136.4Wh/kg，即便在11020W/kg的功率密度下，比能量仍然可達24.4Wh/kg，這要遠高于其他類型的鋰離子電容器。

撰稿：憑欄眺