锂离子电容器产业前沿技术研究进展

新能源战略体系的建设和电子技术的飞速发展对储能器件的性能提出了更高的要求,锂离子电容器是将锂离子电池和双电层电容器"内部交叉"的新型混合储能器件,兼具高能量密度和高功率密度,近年来引起了国内外的广泛关注。本文阐述了锂离子电容器的工作原理和国内外产业发展现状,总结了碳负极的预赋锂技术、电极材料与体系匹配性研究等关键技术前沿的研究成果,并提出了后续产业化研究中所需要解决的实际问题。     

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.     

碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

隔膜对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响

隔膜是双电层电容器和混合型电池-超级电容器等电化学储能器件的重要组成元件.本文采用1 mol?L-1四乙基四氟硼酸铵的丙烯碳酸酯电解液制备了基于活性炭的扣式双电层电容器,并采用1 mol?L-1六氟磷酸锂锂离子电解液制备了(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+活性炭)/石墨体系的混合型电池-超级电容器.研究了不同类型隔膜的物理化学性能,以及其对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响.四种隔膜分别是无纺布聚丙烯毡、多孔聚丙烯薄膜、Al2O3涂层的聚丙烯薄膜和纤维素纸隔膜.进行了表面形貌、差示扫描量热、电解液吸液量和表观接触角测试表征.电化学测试表明,采用纤维素隔膜的双电层电容器具有最高的比电容和更优的倍率性能,电容器的自放电性能差别不大.而对于混合型电池-超级电容器,采用聚丙烯薄膜和无纺布聚丙烯毡隔膜器件的比容量比其它器件约高20%,且采用纤维素隔膜的器件自放电率最高.     

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。     

隔膜对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响（英文）

隔膜是双电层电容器和混合型电池-超级电容器等电化学储能器件的重要组成元件.本文采用1 mol?L-1四乙基四氟硼酸铵的丙烯碳酸酯电解液制备了基于活性炭的扣式双电层电容器,并采用1 mol?L-1六氟磷酸锂锂离子电解液制备了(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+活性炭)/石墨体系的混合型电池-超级电容器.研究了不同类型隔膜的物理化学性能,以及其对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响.四种隔膜分别是无纺布聚丙烯毡、多孔聚丙烯薄膜、Al2O3涂层的聚丙烯薄膜和纤维素纸隔膜.进行了表面形貌、差示扫描量热、电解液吸液量和表观接触角测试表征.电化学测试表明,采用纤维素隔膜的双电层电容器具有最高的比电容和更优的倍率性能,电容器的自放电性能差别不大.而对于混合型电池-超级电容器,采用聚丙烯薄膜和无纺布聚丙烯毡隔膜器件的比容量比其它器件约高20%,且采用纤维素隔膜的器件自放电率最高.     

《能源电化学材料》专辑序言

以电化学能量储存和转化为特点的电池、电容器等储能技术,正在信息通讯、新能源汽车、微电网、分布式发电、大型电力储能、智能电网等领域得到广泛应用,将有力推动能源互联网的快速发展. 作为储能核心技术之一的锂电池、钠电池与超级电容器,更加受到重视. 这些电化学储能装置的性能依赖于所使用的电极材料与结构等. 发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的低成本储能体系成为能源电化学材料研究的核心. 本专辑围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等,收录了在该领域具有丰富研究经验的团队所撰写的8篇相关综述和研究论文. 其中,围绕下一代锂离子电池负极硅材料,邀请了3篇综述和研究论文;鉴于丰富的钠资源,在钠离子电池研究方面也邀请了3篇综述论文;同时在高能量密度的锂硫电池和高功率密度的超级电容器方面各邀请1篇论文. 从这些论文中,可以部分看出锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等能源电化学材料的研究进展. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解上述几类电池、电容器的研究现状,研究趋势和存在问题及挑战,为更深入地开展该领域研究提供参考,以推动我国能源电化学材料研究的进一步发展. 在此,对专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动,表示最衷心的感谢！     

氧空位助力柔性钠离子电池

正下一代小型化便携式电子设备,如可穿戴设备、可植入医疗和可折叠器件等的快速发展需要储能器件兼具高能量密度和优异机械柔性的特点。尽管目前有一些不同柔性器件的报道,如柔性太阳能电池、柔性Li-S电池、柔性超级电容器和柔性锂离子电池。但是,目前研究者们大多数还是专注于柔性锂离子电池。值得注意的是,有限的锂资     

预嵌锂硬碳和软碳用于锂离子电容器负极的比较研究

锂离子电容器是一种应用前景广阔的电化学储能器件. 目前,活性炭作为锂离子电容器正极被广泛使用. 然而,锂离子电容器负极却有多种不同选择,如硬碳和软碳等碳材料. 本文使用两种具有不同结构和电化学特性的硬碳和软碳材料作为锂离子电容器负极,进行了对比研究. 研究表明,软碳相比于硬碳有更好的电子导电性和更高的可逆容量. 通过在电流范围0.1 ~ 12 A·g^-1下进行充放电测试,分别研究了两种碳基电极在不同涂覆厚度下的倍率性能. 结果显示,硬碳电极在大电流下有更好的倍率特性. 然后,以活性炭为正极,预嵌锂的硬碳和软碳为负极,锂片为锂源和参比电极,分别组装了三电极软包锂离子电容器. 根据三电极充放电测试,分别研究了不同预嵌锂量的硬碳和软碳所组装的锂离子电容器的电化学性能. 结果表明,合适的负极预嵌锂容量可以提升锂电容的能量密度、功率密度和循环稳定性. 最后,大容量硬碳和软碳基软包锂离子电容器被分别组装,软碳基锂电容实现了最高的能量密度21.2 Wh·kg^-1（基于整个器件质量）,硬碳基锂电容实现最高的功率密度5.1 kW·kg^-1.     

Free-standing ternary metallic sulphides/Ni/C-nanofiber anodes for high-performance lithium-ion capacitors

As a promising energy-storage device,the hybrid lithium-ion capacitor coupling with both a large energy density battery-type anode and a high power density capacitor-type cathode is attracting great attention.For the sake of improving the energy density of hybrid lithium-ion capacitor,the free-standing anodes with good electrochemical performance are essential.Herein,we design an effective electrospinning strategy to prepare free-standing MnS/Co_4S_3/Ni_3S_2/Ni/C-nanofibers(TMSs/Ni/C-NFs)film and firstly use it as a binder-free anode for hybrid lithium-ion capacitor.We find that the carbon nanofibers can availably prevent MnS/Co_4S_3/Ni_3S_2/Ni nanoparticles from aggregation as well as significantly improve the electrochemical performance.Therefore,the binder-free TMSs/Ni/C-NFs membrane displays an ultrahigh reversible capacity of 1246.9 m Ah g~(-1)at 100 m A g~(-1),excellent rate capability(398 mAh g~(-1) at2000 mA g~(-1)),and long-term cyclic endurance.Besides,we further assemble the hybrid lithium-ion capacitor,which exhibits a high energy density of 182.0 Wh kg~(-1)at 121.1 W kg~(-1)(19.0 Wh kg~(-1) at 3512.5 W kg~(-1))and remarkable cycle life.     

The Application of a Y-Modified Lanthanum Zirconate Flexible Thin Film for a High-Performance Flexible Supercapacitor

With the rapid development of wearable electronics devices, there is increasing demand for the development of new flexible energy storage devices with high security, and this has become a hot research topic. Although flexible supercapacitors are considered to be high-performance energy-storage equipment because of their fast charging/discharging ability, long cycle life, good reliability, wide operating temperature range, and so on, there are still many drawbacks that need to be overcome. Herein, the La₂Zr₂O₇ (LZO) thin film is synthesized as a new energy-storage material by using a facile electrospinning method and calcination at low temperature. In addition, the mechanism of producing the flexibility of this film is determined by TG, IR, and XRD analyses. As previous studies have suggested that the charge storage of the LZO film can be attributed to the mechanism of oxygen intercalation, the Y element is doped into the LZO film to increase the concentration of oxygen vacancies. The changes in structural and electrochemical properties of La₂Y_xZr_2−xO₃ (0≤x≤0.5) nanofibers (LNF-x) with increasing Y content are studied carefully to obtain the best doping sample. The LNF-0.1 sample shows the highest areal capacitance of 605.3 mF cm⁻² at 2 mA cm⁻², so a symmetrical flexible device is fabricated with LNF-0.1 electrodes. This device has a high energy density (76.7 μW h cm⁻² at 2 mW cm⁻²), good cycling stability, and excellent mechanical flexibility. This study thus provides a new research trend for portable and wearable electronics.     

Mesoporous carbon material as cathode for high performance lithium-ion capacitor

The mesoporous carbon material with large pore volume and high surface area by a simple situ MgO template method is synthesized, which is utilized as cathode to assemble a high performance lithium ion capacitor.     

碳基双电层电容器的结构、机理及研究进展

活性炭基双电层电容器是一种新型电化学能量储存装置,其储电机理是利用电极材料比较大的比表面积在电极和电解液之间形成双电层储存电荷,充放电过程中无化学反应发生。活性炭材料由于具有较大的比表面积、良好的孔结构分布、化学惰性表面等,一直是双电层电容器电极的首选材料。本文简要介绍了双电层电容器的制造工艺、应用及发展趋势。     

A Hollow Multi-Shelled Structure for Charge Transport and Active Sites in Lithium-Ion Capacitors

The lithium-ion capacitor (LIC) has attracted tremendous research interest because it meets both the requirement on high energy and power densities. The balance between effective surface areas and mass transport is highly desired to fabricate the optimized electrode material for LIC. Now, triple-shelled (3S) Nb₂O₅ hollow multi-shelled structures (HoMSs) were synthesized for the first time through the sequential templating approach and then applied for the anode of LIC. The unique structure of HoMSs, such as large efficient surface area, hierarchical pores, and multiple shells, provides abundant reaction sites, decreases the electron transport resistance, and increases the diffusion rate for ion transport. In this case, the best combination performance has been achieved among all the reported Nb₂O₅-based materials, which delivered an excellent energy and power densities simultaneously, and superb cycling stability.     

A Hollow Multi‐Shelled Structure for Charge Transport and Active Sites in Lithium‐Ion Capacitors

The lithium‐ion capacitor (LIC) has attracted tremendous research interest because it meets both the requirement on high energy and power densities. The balance between effective surface areas and mass transport is highly desired to fabricate the optimized electrode material for LIC. Now, triple‐shelled (3S) Nb₂O₅ hollow multi‐shelled structures (HoMSs) were synthesized for the first time through the sequential templating approach and then applied for the anode of LIC. The unique structure of HoMSs, such as large efficient surface area, hierarchical pores, and multiple shells, provides abundant reaction sites, decreases the electron transport resistance, and increases the diffusion rate for ion transport. In this case, the best combination performance has been achieved among all the reported Nb₂O₅‐based materials, which delivered an excellent energy and power densities simultaneously, and superb cycling stability.     

水系锌离子电容器

本文首次提出了一种水系锌离子电容器的新型储能体系,其中以五氧化二钒（V₂O₅）为正极,具有高比表面积的活性炭（AC）为负极,以及三氟甲基磺酸锌（Zn(TfO)₂）为电解质. X射线衍射（XRD）证明二价锌离子作为电荷载体,可以在五氧化二钒（V₂O₅）中进行可逆的嵌入与脱出. 该锌离子电容器的电位窗口可达1.4 V,具有良好的倍率特性及循环稳定性. 电流密度为1000 mA·g^-1 时,电容器的比能量密度为4.5 Wh·kg^-1,功率密度可达181 W·kg^-1. 本工作为发展新型基于多价离子电化学电容器提供了新思路和新方法.     

电容去离子脱盐装置构型的研究进展

电容去离子(CDI)技术是一种新型的海水淡化技术,因其具有环境友好、操作简单和能耗低等优势而受到广大研究者的关注。在CDI技术中,电吸附的性能与装置的构型有着密切的联系。本文综述了目前常见的几种CDI装置,包括膜电容去离子(MCDI)、流动电极电容去离子(FCDI)、杂化电极电容去离子(HCDI)、反式电极电容去离子(i-CDI)以及脱盐电池(DB),对这几种装置的发展历程和装置构型进行介绍,最后,对CDI的装置构型在未来的研究发展方向进行了展望,以期为CDI装置在电脱盐领域的研究和应用提供参考。