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...     

电解质在超级电容器中的应用

超级电容器作为一种新型储能装置,因充放电快、功率密度高和循环寿命长的优异性能而引起了广泛的关注。电解质作为影响超级电容器性能的关键因素之一,其离子类型与尺寸、电化学窗口及电导率等性质对器件的工作电压、能量密度及循环寿命有着重要影响。针对近年来的研究现状,本文概述了超级电容器的储能原理、性能评估的关键参数及电解质在超级电容器中的应用研究进展。介绍了电解质的分类,包括水系电解质、有机电解质、离子液电解质和氧化还原电解质在内的液态电解质,及包括固态聚合物电解质、无机固态电解质及凝胶聚合物电解质在内的固态/准固态电解质。评述各类电解质的最新研发进展,讨论了电解质性质对超级电容器性能的影响,并阐明了超级电容器电解质的设计和优化方法。最后,分析了制备高性能电解质所面临的困难,并就其未来的研究方向作出了展望。     

基于碳纳米管的超级电容器研究进展

综述了基于碳纳米管及其复合材料作超级电容器的电极材料的研究现状,通过对碳纳米管的改性或与其它材料复合,能有效地提高电容器的电容特性。总结了近几年来在开发超级电容器电极材料领域中对碳纳米管的活化和提高碳纳米管的分散性技术、碳纳米管与过渡金属氧化物复合材料、碳纳米管与导电聚合物复合材料以及碳纳米管与石墨烯复合材料研究的进展。     

高比能高功率全石墨烯锂离子电容器

石墨烯由于拥有超高比表面积和超高电导率而被作为电化学电容器材料广泛研究.本文采用树脂为碳源,通过一种方便快捷的树脂交换法制备一种具有高比表面积的多级孔三维石墨烯（3DG）.经过此种方法的催化、造孔、热处理等主要工艺步骤后,可显著增加石墨烯材料的小、介孔数量,从而提高材料的电化学性能.通过BET测试表明,3DG的比表面积可达2400 m²/g,孔体积达到2.0 cm³/g.以3DG作为正负极材料制备高比能量高功率型锂离子电容器（3DG-LIC）,可使3DG-LIC的工作电压从传统超级电容器的2.5 V扩展到4.0 V,能量密度也从20 Wh/kg提高到105 Wh/kg.另外,相同的化学和微观结构能很好地平衡正负极的容量及速率,使高比能量高功率的3DG-LIC具有更宽阔的应用领域.     

超级电容器石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

WO3/碳布柔性非对称超级电容器的组装及性能研究

以超级电容器的电极材料制备、性质研究及对组装的非对称超级电容器的性能研究为核心内容,提高超级电容器电化学性能为主要目的,采用水热合成法在碳布基底上合成三氧化钨/碳布和活化后的碳布为超级电容器的电极材料。采用SEM、XRD表征方法对制备的材料进行了形貌表征及物相分析;使用上海辰华电化学工作站对电极材料进行了循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学性能测试. 最终得到以三氧化钨/碳布为正极材料、活化后的碳布为负极材料组装成不对称柔性电容器,进行电化学测试,其电位窗口提高到0~1.6 V,电流密度61.9 mA·cm^-2时,电容达到58.96 F·cm-2,功率密度0.48 W·cm^-2时,能量密度为20.36 mWh·cm^-2,同时在电流密度8 mA·cm^-2时,循环3000次时表现出良好的循环性能,相较于对称型超级电容器,倍率性能更加优异.     

一种软包装超级电容器及其高电压模块

超级电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能器件，具有高能量密度、高功率密度的双重特性。超级电容器可以配合燃料电池、锂离子电池作为电源系统，解决电动汽车在加速、爬破、刹车时单一电池无法克服的问题；超级电容器也可以作为太阳能、风能等绿色发电系统储能装置；它亦可以作为电子、通讯、医疗等设备的主力电源。为此，在近20年来，超级电容器成为发达国家（美国、俄罗斯、日本、澳大利亚以及欧洲国家）重点投资研究开发项目，并于20世纪80年代国际各大电气公司把多种超级电容器陆续投放市场。     

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

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.     

超级电容器能量密度的提升策略

超级电容器最大的优点是具有优良的脉冲充放电性能和快速充放电性能,同时具有循环寿命长、工作温度范围宽、安全无污染等特性,但能量密度较低. 本文对超级电容器的工作原理、发展状况、缺陷所在和改进方法进行了简要介绍,以本课题组在高比能超级电容器方面的研究工作为主线,结合近几年的文献报道,重点阐述了超级电容器能量密度的提升策略. 主要围绕以下三个方面开展了工作：1）通过将电极材料尺寸纳米化来提高传统电极材料的比容量或开发其他高比容量的电极材料;2）发展具有高电压窗口的离子液体电解液,或利用不同材料在不同电位区间的电容特性构筑不对称电容器,从而提高超级电容器的电压窗口;3）将超级电容器和锂离子电池进行“内部交叉”构筑兼具高能量密度和高功率密度的锂离子混合电容器. 最后,对超级电容器的发展进行了展望.     

高能量密度材料1,3,3-三硝基氮杂环丁烷研究进展

介绍了新型高能量密度材料1，3，3－三硝基氮杂环丁烷（TNAZ）的合成，物理性能，爆轰性能，安全性，热分解机理及其应用研究的进展， 并对其应用前景进行了展望。     

CeO2 quantum dots doped Ni-Co hydroxide nanosheets for ultrahigh energy density asymmetric supercapacitors

By integrating the merits of lanthanide elements and quantum dots, we firstly design CeO₂ quantum dots doped Ni-Co hydroxide nanosheet via a controllable synthetic strategy, which exhibits a large specific capacitance (1370.7 F/g at 1.0 A/g) and a good cyclic stability (90.6% retention after 4000 cycles). Moreover, we assemble an aqueous asymmetric supercapacitor with the obtained material, which has an extremely high energy density (108.9 Wh/kg at 378 W/kg) and outstanding cycle stability (retaining 88.1% capacitance at 2.0 A/g after 4000 cycles).     

高能量密度锂二次电池电极材料研究进展

锂离子电池是目前广泛应用的高能量密度小型二次电池,但随着其应用领域突飞猛进的发展,迫切需要进一步提高其能量密度.本文介绍了近年来高能量密度锂离子电池正、负极材料及新型高能量密度锂二次电池体系方面的研究进展;结合本实验室的研究工作,着重介绍了高容量正、负极材料的选择、微纳结构设计、表面包覆和合成策略;讨论了锂硫电池、锂空气电池等高比能金属锂二次电池的未来发展方向.     

Synthesis of porous biocarbon supported Ni3S4/CeO2 nanocomposite as high-efficient electrode materials for asymmetric supercapacitors

Biocarbon-supported polymetallic composites (CAS@Ni₃S₄/CeO₂) were fabricated by a facile hydrothermal process. The as-prepared CAS@Ni₃S₄/CeO₂ materials integrated the advantages of transition metal sulfides (good conductivity), rare-earth metal oxides (excellent stability), as well as porous carbon with high surface area, thus exhibiting promising electrochemical performance in supercapacitor applications. Indeed, the optimal CAS@Ni₃S₄/CeO₂-150 composite displayed a high specific capacitance of 1364 F g^?1 and impressive cycle performance with capacitance retention of 93.81 % after 10,000 cycles. The calculation of capacitance contribution showed that the satisfying behavior of the electrode was a combination of the diffusion process and the surface capacitance characteristics. Furthermore, the assembled asymmetric supercapacitor (CAS@Ni₃S₄/CeO₂-150//CAS) delivered an ultrahigh energy density of 102.76 Wh kg^?1, which was better than that of the commercial activated carbon-based ASC device. This novel strategy might provide a new perspective for transition metal sulfide/rare earth metal oxide composite in the electrochemical energy storage field.     

纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合材料用于高性能超级电容器

以高浓度氧化石墨烯(GO)溶液作为反应前驱体,纳米纤维素(NC)作为物理间隔物和电解液储存器,通过简单的一步水热法制备了纳米纤维素/还原氧化石墨烯(NC/rGO)复合材料,并探究了其作为超级电容器电极材料的潜力。结果如下：NC添加量为1 mL所制备的NC/rGO-1具有最佳电化学性能。基于NC/rGO-1的无黏合剂对称型超级电容器在0.3 A·g^-1的电流密度下显示出了269.33 F·g^-1和350.13 F·cm^-3的高质量和体积比电容,并在10.0 A·g^-1时仍能达到215.88 F·g^-1和280.62 F·cm^-3(其初始值的80.15%)。组装器件还显示出了较高的质量和体积能量密度(9.3 Wh·kg^-1和12.13 Wh·L^-1)和出色的循环性能(10 A·g^-1下10 000次循环后其初始比电容仅减少6.02%)。     

纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合材料用于高性能超级电容器

以高浓度氧化石墨烯(GO)溶液作为反应前驱体,纳米纤维素(NC)作为物理间隔物和电解液储存器,通过简单的一步水热法制备了纳米纤维素/还原氧化石墨烯(NC/rGO)复合材料,并探究了其作为超级电容器电极材料的潜力。结果如下：NC添加量为1 mL所制备的NC/rGO-1具有最佳电化学性能。基于NC/rGO-1的无黏合剂对称型超级电容器在0.3 A·g^-1的电流密度下显示出了 269.33 F·g^-1和 350.13 F·cm^-3的高质量和体积比电容,并在 10.0 A·g^-1时仍能达到 215.88 F·g^-1和 280.62 F·cm^-3(其初始值的 80.15%)。组装器件还显示出了较高的质量和体积能量密度(9.3 Wh·kg^-1和 12.13 Wh·L^-1)和出色的循环性能(10 A·g^-1下10 000次循环后其初始比电容仅减少6.02%)。     

Flexible asymmetric supercapacitor with high energy density based on optimized MnO2 cathode and Fe2O3 anode

A flexible asymmetric supercapacitor is assembled using MnO₂ nanosheets/carbon fabric and Fe₂O₃/carbon fabric electrodes. By optimizing the reaction condition of the two electrodes, the device shows high energy densities and excellent flexibility.     

Constraint-based analysis of a physics-guided kinetic energy density expansion

An approach guided by physical consistency in determining the general forms of D-dimensional kinetic energy density functionals (KEDF) has been demonstrated previously, producing an expansion which contains the majority of the known one-point KEDF forms. It has also been shown that any noninteracting KEDF must necessarily have a homogeneity degree of 2 in coordinate scaling, and that the ratio of the collective KED to electron density must approach the ionization energy as $r\to \infty$. This article demonstrates that the scaling condition is already satisfied in the general expansion despite not being conceived with the scaling as a constraint, and that the second condition places a restriction on the expansion terms of the KED. The discussion is extended as well for some known KEDs for comparison.     

Kinetic energy density for orbital‐free density functional calculations by axiomatic approach

An axiomatic approach is herein used to determine the physically acceptable forms for general D‐dimensional kinetic energy density functionals (KEDF). The resulted expansion captures most of the known forms of one‐point KEDFs. By statistically training the KEDF forms on a model problem of noninteracting kinetic energy in 1D (six terms only), the mean relative accuracy for 1000 randomly generated potentials is found to be better than the standard KEDF by several orders of magnitudes. The accuracy improves with the number of occupied states and was found to be better than for a system with four occupied states. Furthermore, we show that free fitting of the coefficients associated with known KEDFs approaches the exactly analytic values. The presented approach can open a new route to search for physically acceptable kinetic energy density functionals and provide an essential step toward more accurate large‐scale orbital free density functional theory calculations.