润湿特性对超级电容器储能动力学的影响机理

润湿特性对超级电容器储能性能有着至关重要的影响。借助分子动力学模拟,本文研究了润湿特性对超级电容器储能动力学行为的影响。以石墨烯和晶体铜作为疏电解液和亲电解液电极材料。结果表明,在充电过程中,亲电解液铜电极呈现出非对称的U型微分电容曲线,负极电容是正极的～5.77倍,不同于经典双电层理论Gouy-Chapman-Stern(对称U型)和疏电解液型。该现象与离子自由能阻力分布密切相关,负极自由能阻力远小于正极(～2倍)和疏电解液电极,进而有利于强化双电层结构对电极电压的响应能力,导致更高微分电容。通过微分离子电荷密度,本文再现了微分电容演变规律,并发现改善润湿性会显著降低双电层厚度。最后,我们指出润湿性直接影响储能微观机理,将电荷储存机制从离子吸附和交换共同主导(疏电解液)转变到离子吸附主导(亲电解液)。本文所得结论揭示了润湿特性对储能动力学行为影响的原子层级机理,对超级电容器材料设计、构筑与润湿特性调控具有重要指导意义。     

基于室温离子液体的活化石墨烯粉末超级电容储能性能

室温离子液体(RTILs)具有电压窗口高等优点,被认为是实现超级电容高性能储能的绿色电解液。但是,离子液体的电导率低、粘度高,使得其储能性能不佳。本文探究了溶剂效应对离子液体超级电容储能性能的影响。以石墨烯粉末为活性材料,选取1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐为离子液体,通过添加乙腈溶剂配置了具有不同摩尔分数ρIL的电解液(从0.25到1.0)。结果表明,溶剂效应对超级电容性能的影响与电压扫描速率或电流密度密切相关。低扫描速率下,溶剂对储能基本没有影响,而高扫描速率下,添加溶剂可显著提升比电容(在ρIL=0.25时,增加~2倍)。这是由于溶剂削弱了离子-离子间交互作用,从而降低了电解液粘度(~29倍),内阻(~5.5倍)和介电弛豫时间(~6.3倍)。在ρIL=0.25时,超级电容最大能量和功率密度分别为65.2 Wh·kg~(-1)和18066.6 W·kg~(-1),显著优于近期文献报道结果。特别地,当工作温度提升到50°C时,其能量密度将达到85.5 Wh·kg~(-1),显著高于传统水系、有机电解液超级电容和铅酸电池,与镍金属氢化物和锂离子电池性能相当。     

基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容

适用于极低温环境的石墨烯超级电容具有广阔的应用前景。然而,由于片层间严重的堆叠团聚,目前石墨烯超级电容的低温储能性能并不理想。本文使用H₂O₂氧化刻蚀法制备了孔洞石墨烯(rHGO),将传统有机溶剂碳酸丙烯酯(PC)和低凝固点溶剂甲酸甲酯(MF)混合制备了混合溶剂有机电解液,组装获得了能够在-60 ℃极低温环境下稳定工作的超级电容。结果表明,该超级电容在-60 ℃下的比电容为106.2 F·g^-1,相对于常温电容(150.5 F·g^-1)的性能保持率高达70.6%,显著优于未做处理的石墨烯(52.3%)以及文献中的其他石墨烯材料。得益于孔洞化形貌中丰富的介孔和大孔所形成的离子传输通道和缩短的离子传输路径,孔洞石墨烯内的离子扩散阻抗远小于普通石墨烯,且受温度降低的影响更小。在-60 ℃的极低温条件下,该超级电容表现出26.9 Wh·kg^-1的最大能量密度和18.7 kW·kg^-1的最大功率密度,优于传统碳材料的低温超级电容性能。-60 ℃时在5 A·g^-1电流密度下循环充放电10000次后电容保持率达89.1%,具有良好的低温循环稳定性。