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。     

新型超级电容器的研发进展

传统超级电容器受低能量密度的限制,在当今器件研发中需更加关注电极材料结构-组成-性能研究。 本文总结了新型赝电容器的发展历程及其研发过程中存在的挑战与解决措施,着重从胶体离子超级电容器电极材料等新型的电极材料和氧化还原电解质两个方面进行综述。 原位合成的胶体离子超级电容器电极材料比非原位合成的电极材料具有更高的反应活性,并且以近似离子的状态存在,有效增加了电极材料的比容量。 氧化还原电解质的使用在不改变电极材料的前提下,进一步提高了超级电容器的能量密度。 初步介绍了新型锂离子电容器。 锂离子电容器同时使用电池型材料和电容型材料,可提高其能量密度。 依据当前超级电容器的研发现状,未来有望将电池材料和电容器材料结合使用,进而形成电池电容器或电容电池,使其同时具有高的能量密度和功率密度。     

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.     

大尺寸晶体快速生长理论与技术的研究进展

“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一,揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上,晶体生长可以是有势垒的热激活过程,也可以是无势垒的超快结晶过程,这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看,光滑界面是以台阶拓展的方式生长;粗糙界面没有明显的固-液分层,通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例,以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体,但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识,建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法,建立固-液界面,模拟晶体生长,将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。     

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。     

Sn掺杂MoO_3的制备、表征及气敏性能

以仲钼酸铵和四氯化锡为原料,采用水热法制备了不同Sn掺杂比例的MoO_3;利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和Brunauer-Emmett Teller(BET)测试等手段对材料进行了物相、形貌结构和孔径表征;测试了其对乙醇、二氯甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、四氯化碳、氨气和丙酮等气体的传感性能.结果表明,Sn掺杂未改变MoO_3的结构;290℃为气体传感测试的最佳测试温度;掺杂后的MoO_3对乙醇气体的灵敏度和响应时间均优于纯相MoO_3,Sn掺杂摩尔比为5%时效果最好,500 mg/m~3测试条件下对乙醇的灵敏度为19.64,响应时间为1.1 s.     

La~(3+)掺杂NiCo层状双金属氢氧化物纳米片的合成及其电化学性能

稀土离子La~(3+)掺杂的NiCo层状双金属氢氧化物纳米片具有高的超级电容器性能,比容量达到1115 F/g(1A/g)、倍率性能为517 F/g(30 A/g)。研究表明,La~(3+)离子掺杂不改变NiCo层状双金属氢氧化物晶体结构,但会显著影响其电子和离子传导特性,从而改变其电化学性能。根据离子电负性标度,La~(3+)(1.327)和Co~(2+)(1.377)离子的电负性值最接近,掺杂La~(3+)会优先取代Co~(2+)离子位置。由于La~(3+)离子的尺寸作用(106 pm),使得最优掺杂比例较小仅为0.26%,电化学结果表明较少的La~(3+)掺杂比例依然会显著调节NiCo层状双金属氢氧化物的电子/离子输运性质。