超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

高比能超级电容器的研究进展

与传统蓄电池相比,超级电容器具有高功率密度、长循环寿命和使用温度范围宽等优势,但其能量密度较低.本文对超级电容器的结构、分类以及发展状况进行了简要介绍,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器方面的相关工作.主要从两个方面来提高超级电容器的能量密度:(1)通过采用中性水系电解液、有机电解液和离子液体提高对称型碳基超级电容器的电压窗口;(2)应用非对称型超级电容器,即一个电极采用具有法拉第赝电容电极材料或电池电极材料,而另一个电极则采用具有双电层电容的电极材料.同时介绍了由锂离子电池电极材料/活性炭作为正极,石墨作为负极组成的锂离子混合型超级电容器.最后,对超级电容器的发展方向进行了展望.     

多孔三维寡层类石墨烯:超高功率超级电容器碳材料

<正>双电层超级电容器(EDLC)通过表面静电吸附存储电荷,具有功率密度高、循环寿命长、安全性好等优点,得到科技界的广泛重视。理想的EDLC电极材料应同时具备:(i)高的比表面积以确保足够的电荷存储空间;(ii)均衡分布的孔结构以利于电解液离子的快速输运,提升比电容和倍率性能;(iii)高的导电性以确保高功率;(iv)优异的     

低结晶性羟基氧化铁纳米颗粒:电化学性能优异的超级电容器负极材料

<正>作为一种新型的能源存储器件,超级电容器具有许多优异特性:高功率密度、充电时间短、使用寿命长等,然而,超级电容器过低的能量密度大大限制了其广泛应用,根本原因是受限于电极材料本身的储能机制特性~(1,2)。根据储能机制的不同,电极材料主要分为两大类:双电层物理吸附的碳基材料(低比电容)和表面近表面氧化还原反应     

基于金属氧化物的赝电容器

电极是电化学超级电容器的重要组成部分,电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素。金属氧化物电极材料兼有双电层电容和准电容性质,其比电容远远大于活性炭材料表面的双电层电容,基于金属氧化物电极材料的超级电容器具有使用寿命长、维护简单等优点,是一种新型、高效、实用的能量存储装置,引起研究者的广泛兴趣。本文综述了基于金属氧化物电极材料的赝电容器的储能原理、类型和性能的研究现状,并展望了其发展前景。     

电解液离子与炭电极双电层电容的关系

以酚醛树脂基纳米孔玻态炭(NPGC)为电极, 通过微分电容伏安曲线的测试, 研究了水相体系电解液离子与多孔炭电极双电层电容的关系. 结果表明, 稀溶液中, 多孔炭电极的微分电容曲线在零电荷点(PZC)处呈现凹点, 电容降低, 双电层电容受扩散层的影响显著；若孔径小, 离子内扩散阻力大, 电容下降更为迅速, 扩散层对双电层电容的影响增大. 而增大炭材料的孔径或电解液浓度, 可明显减弱甚至消除扩散层对电容的影响. 炭电极的单位面积微分电容高, 仅表明孔表面利用率高, 如欲获得高的电容量, 还要有大的比表面积. 离子水化对炭电极的电容产生不利影响, 选用大离子和增大炭材料的孔径, 可有效降低离子水化对炭电极电容性能的影响.     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.     

不同浸润性多孔电极表面的气泡行为

采用氢气模板法制备了具有多孔结构的电极; 通过改变电镀电流密度和电镀时间实现了电极表面多孔结构孔径和分布的控制; 通过改变表面化学组成有效调控了电极表面的浸润性质. 比较了具有不同微观结构和表面化学组成的电极在给定条件下电解水过程中气泡的产生及行为机制. 实验结果表明: 相对于亲水的多孔电极, 疏水的多孔电极表面能够黏附气泡, 更易倾向于形成稳定的气膜; 多孔结构对于亲水电极表面气泡行为的影响比对疏水电极表面气泡行为的影响更为显著; 与没有多孔结构的亲水电极相比, 具有多孔结构的亲水电极表面产生的气泡数量多, 速率快; 与较小孔径的多孔亲水电极相比, 较大孔径的多孔亲水电极表面产生气泡速率快且黏附气泡数量少. 该研究结果为微气泡减阻电极的设计提供了理论依据.     

The importance of ion size and electrode curvature on electrical double layers in ionic liquids

Room-temperature ionic liquids (ILs) are an emerging class of electrolytes for supercapacitors. We investigate the effects of ion size and electrode curvature on the electrical double layers (EDLs) in two ILs 1-butyl-3-methylimidazolium chloride [BMIM][Cl] and 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [BMIM][PF(6)], using a combination of molecular dynamics (MD) and quantum density functional theory (DFT) simulations. The sizes of the counter-ion and co-ion affect the ion distribution and orientational structure of EDLs. The EDL capacitances near both planar and cylindrical electrodes were found to follow the order: [BMIM][Cl] (near the positive electrode) > [BMIM][PF(6)] (near the positive electrode) ≈ [BMIM][Cl] (near the negative electrode) ≈ [BMIM][PF(6)] (near the negative electrode). The EDL capacitance was also found to increase as the electrode curvature increases. These capacitance data can be fit to the Helmholtz model and the recently proposed exohedral electrical double-cylinder capacitor (xEDCC) model when the EDL thickness is properly parameterized, even though key features of the EDLs in ILs are not accounted for in these models. To remedy the shortcomings of existing models, we propose a "Multiple Ion Layers with Overscreening" (MILO) model for the EDLs in ILs that takes into account two critical features of such EDLs, i.e., alternating layering of counter-ions and co-ions and charge overscreening. The capacitance computed from the MILO model agrees well with the MD prediction. Although some input parameters of the MILO model must be obtained from MD simulations, the MILO model may provide a new framework for understanding many important aspects of EDLs in ILs (e.g., the variation of EDL capacitance with the electrode potential) that are difficult to interpret using classical EDL models and experiments.     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

宏观均相多孔电极电化学阻抗谱基础

电化学阻抗谱可用于诊断多孔电极内电荷转移反应,即界面电荷集聚和电荷传导,以及反应物质输运。本文采用复相量方法,在同态假设条件下,重新推演多孔电极阻抗谱模型,厘清传统多孔电极阻抗谱模型中的模糊性表述。(1) 定义多孔电极表征输入参数,包括电极基体电子电导率σ₁ 、电解质离子电导率σ₂、界面电荷传递电导率g_ct、单位面积界面电容C、固相扩散系数D、速度常数k、电极厚度d、特征孔深L_p 和单位体积表面积S_c;(2) 解析阻抗谱特征输出参数,包括场扩散常数K,特征频率ω₀、ω₁、ω₂、ω₃和 ω_max,它们分别相关于界面传导反应、有限场扩散、氧化还原反应、孔内扩散和最小特征孔尺寸,以及分别对应于从传导到扩散和从扩散到饱和的转折频率f_k1 和f_k2;(3) 当参数X和Z同时变化时(X = σ₁和Z = d,S_c,L_p,C,g_ct,D,k),通过阻抗谱特征参数的演变规律,分析了电荷转移反应中X和Ζ参数耦合竞争;(4)为深入分析电荷转移反应中参数X和Z的耦合竞争,引入了分叉频率f_XZ和f_ZX 。f_XZ和f_ZX所处位置可以用于表征参数X和Z影响电荷转移反应的深度和广度。当分叉频率f_XZ和f_ZX不存在时,表明电荷转移反应中参数X和Z在全频率范围内存在耦合竞争。总之,借助于特征频率和分叉频率,本文一方面研究了动力学参数和微观结构参数对多孔电极中电荷转移反应的影响,另一方面分析谱图的变化及其背后的阻抗谱特征演化规律。本文研究结果可为阻抗谱的系统仿真和辨识提供理论基础,可为多孔电极内电荷转移反应的竞争分析提供技术支撑,还可为电化学储能系统的优化设计提供诊断工具。     

溶液表面吸附实验的再讨论

In the solution adsorption experiment, different adsorption mode has been observed for aqueous ethanol and aqueous n-butanol, respectively. However, it is difficult to make an adjustment by the profiles of σ-c relationship. Choosing the experimental conditions improperly will give wrong results. Since there is no consistency between the Gibbs adsorption isotherm and Langmuir adsorption isotherm, the experimental data should not be fitted by using any algebraic equations or physical models. The data fitting for this experiment should be carried out according to the following steps:fitting the σ-lnc curve manually, making it monotonic and smooth; retrieving more data from this fitting curve, and re-plotting the σ-lnc curve; calculating the first derivatives at these data points (i.e., (∂σ/∂lnc)_T); calculating surface adsorptions by Gibbs adsorption isotherm, Γ=-(∂σ/∂lnc)_T/RT. As for the calculation of the cross-section area for the solute molecule, the effect of concentration of bulk solution (i.e., c) on the surface molecular density should be taken into account.     

气相二氧化硅/季铵Gemini表面活性剂稳定的泡沫体系

以zeta电位法研究了季铵Gemini表面活性剂亚甲基-α, ω-双(十二烷基二甲基溴化铵) (12-s-12, s=2, 6)在水溶液中修饰气相二氧化硅(F-SiO₂)粒子。这些粒子随表面活性剂浓度C增加经历了表面从原先的亲水到疏水再重新亲水的改变,其中疏水粒子可以自发吸附在气泡液膜中,从而很好地稳定泡沫。重新亲水的粒子脱附出液膜,仅留下表面活性剂稳定气泡。强的液膜弹性对应于稳定的泡沫。联接链长度影响了Gemini在F-SiO₂粒子表面的吸附,因而也影响了液膜的弹性和对泡沫的稳定。超短s=2联接链的12-2-12由于反离子解离不完全而带有较少的正电荷,在粒子表面的初始吸附弱于12-6-12,但因此减少了吸附分子头基间的静电排斥,可以形成更致密的吸附层。由于12-2-12本身比12-6-12具有更强的界面吸附能力,F-SiO₂粒子和12-2-12的协同作用可以更好地稳定泡沫体系。     

玻碳电极界面的阻抗谱数学表达及定量分析

玻碳电极（GCE）是各类电化学传感器常用的基础电极,其界面特征直接影响检测性能。本文详细考察了电极体系的电化学过程,针对GCE传感界面,探讨了一个等效电路中电解质电阻、电荷输运电阻、扩散阻抗、电化学（氧化/还原）反应阻抗、表面吸附阻抗和双电层电容等电学元件的物理意义,并给出了对应的数学模型。通过改变模型中5个参数值,模拟了不同状态下的阻抗谱,分析了电极系统各参数对GCE阻抗谱的贡献规律。最后,采用该数学模型对裸GCE和修饰GCE在铁氰化钾溶液中的阻抗谱进行分析,拟合结果与实验数据吻合度高;基于拟合获得参数,定量对比分析了修饰前后电极表面的特征变化。     

电压敏感性聚三苯胺修饰隔膜用于锂硫电池过充保护

本文以三苯胺为原料,通过化学氧化法制备了具有电压敏感性的聚三苯胺(PTPAn)并将其成功应用到锂硫电池隔膜上。电导率测试结果表明,PTPAn/聚丙烯(PP)隔膜的离子电导率达1.56 mS·cm^-1;循环伏安(CV)测试结果表明,PTPAn/PP隔膜在3.5–4.2 V内具有氧化还原峰。在0.1C倍率下,采用PTPAn/PP隔膜和空白PP隔膜的锂硫电池在经200周循环后,放电比容量分别为424.8和407.2 mAh·g^-1,库伦效率分别为99.38%和98.59%,倍率测试表明(0.1C、0.2C、0.5C、1C),采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池在不同倍率下放电比容量均高于采用空白PP隔膜的锂硫电池。与此同时,对采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池进行过充实验,在第4周过充时,充电比容量为843.1 mAh·g^-1,放电比容量为839.8 mAh·g^-1;第10周过充时,充电比容量为690.2 mAh·g^-1,放电比容量为669.2 mAh·g^-1。第16周过充时,电池的充电比容量为538.7 mAh·g^-1,放电比容量为512.9 mAh·g^-1。倍率过充测试表明,经过不同倍率过充实验后,采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池仍能正常工作,在1C倍率下过充,电池电压稳定保持在3.9 V,充电比容量为349.8 mAh·g^-1,放电比容量为328.7 mAh·g^-1。     

碳包覆碳酸钴锂离子电池负极材料的制备及电化学性能

以葡萄糖作为碳源,通过简单的水热反应获得菱形碳包覆碳酸钴(CoCO₃/C)复合材料,并研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能.晶型和表面形貌通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行表征,用热重-差热分析法(TG-DTA)来测试CoCO₃/C材料中碳的含量,用拉曼光谱分析无定型碳的存在. Barrett-Joyner-Halenda (BJH)则用来分析材料的孔径分布情况.实验表明,碳包覆不仅在CoCO₃颗粒表面包覆了一层无定性碳,使得CoCO₃材料在充放电过程中保持结构的稳定性,也形成了一些大约30 nm左右的介孔,这种孔的存在有助于电解液中离子的传输,从而提高材料的电化学性能.电极材料在0.90C(1.00C = 450 mAh•g^-1)倍率下进行循环测试, 500次后的容量仍保持在539 mAh•g^-1,显示出了较好的循环性能.当增加到3.00C倍率时CoCO₃/C容量为130 mAh•g^-1,再恢复到0.15C倍率时容量依然能够达到770 mAh•g^-1,表现出了CoCO₃/C具有良好的稳定性.     

利用原位氟化保护层改善三维锡锂合金/碳纸负极贫电解液下性能

金属锂具有最高的理论比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的还原电势(?3.04 V),是新型高能量密度电池负极材料的最佳选择之一。然而由于金属锂负极表面自发生成的固态电解质界面(SEI)十分不稳定,导致锂枝晶的产生和电池容量快速衰减,严重限制了锂金属电池的商业化应用。因此,本工作利用碳酸双(2,2,2-三氟乙基)酯(DTFEC)添加剂在三维锡锂合金/碳纸负极(SnLi/Cp)表面原位构筑了高机械强度和离子穿透性的含氟化物(LiF和SnF2)保护层,有效地改善了锂负极的倍率性能和循环稳定性。结果显示,SnLi/Cp对称电池在8 mA·cm^?2的电流密度下经过100次循环后过电位仅为90 mV。当将电解液降低到12μL(1.5μL·(mAh)?1)时,在5 mA·cm^?2的电流密度下对称电池仍具有优异的稳定性;SnLi/Cp||NMC811电池在1C(1.5 mA·cm^?2)条件下能稳定循环300圈以上,库伦效率高达98.1%。这种方法能够显著改善锂金属负极的循环稳定性,有助于实现高能量密度锂金属电池的实际应用。