钠离子电容器整合了超级电容器高功率密度、长循环寿命及快速充放电和二次电池高能量密度的特性，且成本较锂离子体系低廉，在便携式电子设备领域具有巨大的应用前景。然而，电池型负极和电容型正极之间的动力学机制不匹配是限制钠离子混合电容器进一步发展的关键因素之一，其中制备高倍率和长循环的负极材料已成为提高钠离子电容器能量密度、功率密度和循环寿命的瓶颈。对于现有的负极材料，碳基材料如石墨，虽然在锂离子体系里具有较好的电化学性能，但因钠离子半径较大，循环性能及倍率性能较差；金属基材料，虽具有比较高的比容量，但体积应变较大，容量衰减快，导致电容器循环稳定性差；有机化合物，循环与倍率性能不足，不适于组装成电容器；与上述几种负极材料相比，钛基化合物，具有工作电压低和结构稳定性好等优点，成为钠离子电容器的重要候选负极材料之一，但因其导电性能较差，可逆容量较低等缺点，使得电极性能不足。而且这些材料一般都是粉末状，需与导电剂粘结剂混合，涂布在集流体上，较易脱落，不利于提高材料体积能量密度或制备成柔性电极。这些缺点已成为制约钛酸盐负极材料应用的技术瓶颈。本发明利用纳米阵列特殊形貌结构，不需添加任何导电剂或粘结剂，且活性物质与基底接触良好，防止电极在循环过程中脱落，能有效提高电极循环稳定性和体积比能量。利用纳米阵列本征载流子扩散路径短和导电性好的优点，能有效提高电极倍率和循环性能。本发明已完成实验室初样级验证，以该负极材料与商用活性炭正极组装钠离子电容器在常温条件进行验证，该器件单体具有132Wh kg-1的最高能量密度，在5A g-1电流密度下安全稳定循环5000圈，适用于高能量、高功率、长寿命等储能场景。目前钠离子电容器的应用范围是相当小的，并且由于其制备成本低廉、安全性能好，推动钠离子电容器产业化发展，一方面可促进地方经济发展、带动就业、提高人民生活水平，另一方面可推动新型能源结构地建立，实现绿色可持续发展。

哈尔滨工业大学

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