电化学电容器储能机理的原位表征技术研究进展

电化学电容器是一种在高比表面积多孔电极表面通过电吸附离子或快速法拉第反应来存储电荷的储能器件.近十年来,通过对电极材料纳米尺度的调控,超级电容器的各项性能指标得到了大幅度提升.深入理解电荷存储机制对进一步提升超级电容器的性能至关重要.本文介绍了近年来国际上采用原位核磁共振技术(in-situ NMR spectroscopy)、电化学石英晶体微天平(EQCM)、原位红外光谱(in-situ infrared(IR) spectroscopy)和原位小角散射技术(in-situ scattering approaches)等电化学原位技术研究超级电容器储能机理方面的进展,并探讨了原位表征技术在构建高性能超级电容器方面所面临的挑战.     

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。     

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。     

碳基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是近年迅速发展起来的一种新型储能元件,决定超级电容器性能的最重要因素是电极材料。碳材料以其比电容高、循环寿命长和资源丰富等优点,已经成为当前超级电容器电极材料的有力竞争者。用作超级电容器电极的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。本文详细介绍了超级电容器用碳材料的特点、应用及发展状况,并指出制备具有大比表面积和高导电率的多孔碳是当前碳材料电极的主要研究方向。     

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.     

石墨烯基纤维电容器的可控制备及应用

超级电容器又名电化学电容器,是一种绿色储能器件。 超级电容器的研究,从根本上讲是寻找比表面积大且可以被充分利用的电极材料。 石墨烯作为sp²杂化碳质材料的基元单位,具有独特的二维结构和优异的物化特性,使得其在超级电容器领域具有巨大的应用潜力,其中石墨烯纤维超级电容器受到了研究工作者越来越广泛的关注。 本文通过对一维石墨烯纤维的自组装以及与制备材料的共组装来作为超级电容器的电极材料,对其可控制备进行了系统的归纳和总结,可控构建独特的电极材料,使其性能得以优化,组装出高性能的超级电容器,并对相关领域的发展趋势做了展望。     

超级电容器概述

正超级电容器是一种新型的绿色储能装置,具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、可靠性高、绿色环保等特性,在移动通讯、航空航天、电动汽车和国防等领域有着巨大的应用潜力。近年来,随着超级电容器研究的不断深入、相关技术产业的快速发展,其应用领域正在不断的扩展、市场前景十分广阔1,2。电极材料是超级电容器的关键所在,它决定着该储能器件的主要性能指标,如     

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.     

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.