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.     

离子的胶体状态与其电化学储能极限

阳离子氧化还原化学是电化学储能技术中最核心的储能机理,如何高效快速利用氧化还原活性阳离子是发展兼具高功率密度与高能量密度储电技术的关键。 处于胶体状态的阳离子可形成热力学平衡态和非平衡态,具有高反应活性和低离子迁移势垒,展现出独特的电化学特性。 本文着重介绍氧化还原活性阳离子的胶体状态与其在电化学储能上的应用,并从热力学和动力学方面阐述其储能机理,以及活性胶体离子电极和超级电容电池的构筑。 利用胶体的高比表面积、高离子吸附能力和荷电离子梯度分布等特性,创造性地构筑胶体超级电容电池,解决了现有电化学储能电极材料体系中高容量与高功率不能兼具的问题,同时开拓了胶体体系新的应用方向。     

胶体离子超级电容器

超级电容器具有功率密度大、循环寿命长等优点,但同时面临着能量密度低等缺点. 胶体离子超级电容器是最近开发的一种新型赝电容器,同时具有高功率密度和高能量密度的特点. 胶体离子超级电容器能够充分利用多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应,完全释放储存的潜在电能,从而提高超级电容器的能量密度. 由于胶体离子的存在,缩短了电子、离子的扩散长度,加快了氧化还原反应动力学,从而保持高的功率密度. 本文主要介绍胶体离子超级电容器的发展过程、最新研究进展以及需要进一步开展的研究工作,作者希望从一个新的角度去研究发展下一代高性能电化学储能设备,实现新的突破.     

基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器

组装高能量密度的非对称超级电容器需要使用比电容大、 体积变化小且循环稳定性好的电极材料. 过渡金属硫化物(TMSs)与纳米碳材料的复合物是此类电极材料之一. 采用水热法合成了由Cu-Mo硫化物在微波剥离的还原氧化石墨烯表面生长的复合材料(CuS-MoS₂/MErGO). 此复合材料在电流密度为2 A/g时具有高达861.5 F/g的比电容和良好的循环稳定性. 将1.6 V的电池电压施加在由NiS/MErGO为正极, CuS-MoS₂/MErGO为负极组装成的不对称超级电容器上时, 该电容器的功率密度为1.28 kW/kg, 且能量密度保持为54.2 W·h·kg^-1. 结果表明, TMS复合材料是一种很有前途的高性能电化学储能材料, 尤其是用于非对称超级电容器的组装.     

高容量超级电容器电极材料的设计与制备

超级电容器寿命长,安全性高,并可以实现快速充放电,是化学电源研究的热点之一。然而,超级电容器的能量密度较低限制了其更多的应用。因此,超级电容器领域的研究关注点在如何提高超级电容器的能量密度。其中,提高比容量是提高能量密度的一种有效途径。本文通过对电极材料和电解液的优化来研究制备得到高容量超级电容器的方法。电极材料的比表面积、孔道结构和导电性对其电化学性能有着直接的影响。一方面,通过优化电极材料的孔道结构和比表面积可以增加活性位点并提高电解液离子传导率,从而得到高比电容。另一方面,电极材料导电性的提高有利于提升其电子传导率从而得到较高的比容量。本文分别对碳材料和金属氧化物/氢氧化物的优化达到了增加双电层电容和赝电容的目的。不仅如此,还可以通过在电解液中增加氧化还原电对从而得到高比电容。这一方法为高容量超级电容器的制备提供了新的思路。     

混合型超级电容器的研究进展

与传统的二次电池相比,超级电容器具有长寿命、高功率密度的特点,但是能量密度较低.本文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展.目前有许多研究工作者都致力于改善超级电容器体系的能量密度,一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容,另一个途径则应用不对称混合型超级电容器体系,即一个电极采用电极活性炭电极...     

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。     

一种多羰基氮杂环镍基配位聚合物的合成及其超电容性能

过渡金属配位聚合物的结构中包含具有氧化-还原活性的过渡金属离子或原子簇,还可以包含具有氧化-还原活性的有机配体,这些特征使其具有作为高性能超级电容器电极材料的应用潜力。本文通过简单的溶剂热反应合成了一种镍基配位聚合物Ni-PAD (PAD=N,N′-二(1,2,4-三唑基)均苯四甲酰二亚胺),并首次研究了它作为超级电容器的电极材料的性能。研究结果表明：三电极体系下,Ni-PAD电极展示了高的放电比容量,较高的倍率性能和较好的循环稳定性。在1 A·g^-1电流密度下和1M KOH溶液中,其比电容最大可达1145 F·g^-1。在2 A·g^-1的电流密度下,循环1000次以后的电容保持率为43%。在1 A·g^-1下,由Ni-PAD和还原性氧化石墨烯(rGO)构筑的不对称超级电容器的能量密度和功率密度分别为28.13 Wh·kg^-1和0.76 kW·kg^-1。良好的超电容性能与Ni-PAD结构中含有氧化-还原活性的镍离子和配体,以及小尺寸的纳微米粒子有关。     

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.     

Research progress on transition metal oxide based electrode materials for asymmetric hybrid capacitors

In the past few years, the increasing energy consumption of traditional fossil fuels has posed a huge threat to human health. It is very imperious to develop the sustainable and renewable energy storage and conversion devices with low cost and environment friendly features. Hybrid supercapacitors are emerging as one of the promising energy devices with high power density, fast charge-discharge process and excellent cycle stability. However, morphology and structure of the electrode materials exert serious effect on their electrochemical performances. In this review, we summarized recent progresses in transition metal oxide based electrode materials for supercapacitors. Different synthesis routes and electrochemical performances of electrode materials and storage mechanisms of supercapacitor devices have been presented in details. The future developing trends of supercapacitor based on metal oxide electrode materials are also proposed.     

石墨烯/聚吡咯纳米纤维超级电容器电极材料的制备及其电化学性能

超级电容器因其具有较高的循环稳定性和较好的能量密度而成为储能器件中的研究热点,其电极材料及制备方法是决定超级电容器电化学性能的关键因素。 本文以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为软模板,通过一步原位聚合法成功地制备了石墨烯/聚吡咯纳米纤维(GR/PPy NF)复合超级电容器电极材料。 通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等对复合材料的结构和形态进行了系统的表征。 利用电化学方法对GR/PPy NF复合电极材料的电化学性能进行了系统的分析。 结果表明,在电流密度0.5 A/g下,纳米复合材料的比电容量高达969.5 F/g,在充放电600圈之后,仍可保留初始比电容的88%,展示了良好的电容性能及循环稳定性。 GR/PPy NF制备简单,性能优异,是一种很有前途的能量转换/存储材料。     

提高电容性电化学储能装置能量容量的一些尝试

本文从作者所在的课题组在超级电容器和超级电容电池方向的研究内容为基础,在电极材料和装置层面综述了电容性电化学储能装置的发展. 导电聚合物和过渡金属氧化物分别与碳纳米管复合后的复合物能显著提高前两者作为电容性法拉第储能电极的电容性能. 活性炭和碳黑等一类碳材料则可作为非法拉第储能的电极材料. 通过对超级电容器正负极电容做相应的匹配调整可以提高超级电容器的最大充电电压,从而提高超级电容器的能量容量. 此外,为了与实际设备相匹配,超级电容可以以双极板的方式串联堆积,满足高电压的需求. 超级电容电池作为新一代的电容性电化学储能装置,分别由具有电容性和法拉第电荷储存原理的电极组成,具有高比功率和高比能量的特点,也是近年来的研究热点.     

二氧化锰与二维材料复合应用于超级电容器

现如今世界正面临着与能源相关的一系列问题与挑战,科学家们致力于研究绿色高性能的能量存储器件以适应当前乃至以后长久可持续创新发展的需要。超级电容器作为一种新型的绿色能源储存装置,具有功率密度大、理论比电容高、充放电速度快、循环寿命长、安全性高、环境友好且经济等优点,为人类解决能源危机提出了可能。电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。近些年,由于二氧化锰基超级电容器具有理论比电容高、化学稳定性好、环境友好等特点被广泛研究。同时多种二维材料也继石墨烯后被相继用作超级电容器电极材料,具有二维结构特征材料在提高双电层电容器的能量密度、改善赝电容电容器方面发挥着重要作用。实现高比电容和高倍率性能,将二氧化锰与二维材料复合将不失为一个有前景的选择。本文系统介绍了以石墨烯为代表的各类二维材料与二氧化锰复合物在超级电容器中的应用研究,并聚焦于这些二维材料与二氧化锰复合后所展现的优异电化学性能。     

胶体离子超级电容器的比容量评价

胶体离子超级电容器作为一种新型的超级电容器,其同时具有能量密度和功率密度高的独特优势。 目前已经发展了包括多种过渡金属阳离子和稀土阳离子,例如Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Sn²⁺、Sn⁴⁺、La³⁺、Ce³⁺、Er³⁺和Yb³⁺的胶体离子超级电容器体系。 在电化学反应中,识别出电活性物质的存在形式对研究电极反应机理和提高比容量具有重要价值。 本文主要通过对电活性物质比容量的探讨,理解这种新型胶体离子超级电容器的电化学储能机理。 评述了胶体离子超级电容器的比容量核算方式,提出了以阳离子为标准核算比容量的原因,并与传统超级电容器的核算方式进行了比较,表明胶体离子超级电容器在提高能量密度方面具有潜在优势,有望突破现有电化学储能设备的技术瓶颈,实现下一代高能量储能器件的开发。     

A phosphorus integrated strategy for supercapacitor: 2D black phosphorus–doped and phosphorus-doped materials

In the design and development of energy storage devices, two main factors are considered first high electrochemical performances and second low-cost materials. Phosphorus owns excellent properties such as high carrier mobility, tunable bandgap, anisotropic electronic properties, hydrophilicity, biocompatibility, good electrochemical activity, and high surface area. The interlayer distance of black phosphorus (BP) (0.55 nm) is higher than that of graphene which makes facile ion transportation for supercapacitor application. The phosphorus-based electrode obtained with top-down approaches such as exfoliation and bottom-up approach such as pulsed laser deposition. The BP has been investigated due to its small electronegativity of P which is beneficial to improve the electrical conductivity of the electrode and its abundance nature makes it a desirable candidate for the fabrication of low-cost device. Hence, this review covers the new BP material as the advanced materials for the commercial realization of advanced supercapacitors. This is the first review on phosphorus integrated supercapacitor devices. This review will give a brief idea about BP to researchers in search of outstanding supercapacitor configurations with different electrodes and electrolytes.     

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.     

基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。     

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。