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能量密度突破是超级电容器发展关键
发布时间:2016-7-13 17:23:18  浏览次数:1047

      随着电动汽车、清洁能源存储及便携式电子产品的快速发展,开发与之相匹配的兼具高能量、高功率、长寿命的电化学储能器件成为当前的迫切需求。

  近年来,超级电容以其数秒内的快速充放电、上万次的循环寿命、百分之百的充放电效率及高安全性等二次电池所无法比拟的优势,成为目前最重要的储能装置之一。但一直以来,其较低的能量密度限制了其在消费电子、电动汽车、智能电网、清洁能源等领域的进一步应用。如此,如何在保持超级电容器高功率、长寿命的前提下提高其能量密度,成为其实现突破性发展亟需解决的问题。

  据了解,通过研究各种碳基超级电容器中电极材料的电位随充放电过程变化的规律,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部的科研人员发现,造成超级电容器低能量密度的根源之一是,组装成器件后正、负电极无法在最优的电位窗口下工作,致使能量密度很低。为了解决这一问题,该所科研人员提出了采用电化学电荷注入(ECI)来改变电极材料的表面电化学结构,从而调控正、负电极材料的电化学电位到最佳初始电位的方法。如此一来,正负极在充电过程中就能够同时到达电解液可用电位的上下限,极大地提高了超级电容器的工作电压和比容量。由于超级电容器所储存的能量与工作电压和活性材料的容量成正比,因此其能量密度也大大增加。该方法具有普适性,目前已经在多种碳基超级电容器上验证有效。特别是以石墨烯作为活性材料的石墨烯锂离子超级电容器,在调控后,它不仅保持了超级电容器的高功率特性,而且能量密度超过镍氢电池并接近锂离子电池水平,展现出极大的应用前景。

  然而,对于石墨烯锂离子超级电容器而言,伴随着能量密度的大幅提高,随之而来的是其循环使用寿命的下降(1000次循环衰减25%)。该所研究员通过监控和分析正负极的工作区间发现,正电极和电解液在1.5伏-1.0伏(vs.Li/Li+)区间持续的副反应导致了低的循环寿命。为了解决这一问题,研究人员采用电化学预包覆的方法(PEC)通过二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的分解,在正电极表面预先包覆一层纳米尺度的保护层。据介绍,该保护层具有电子绝缘而离子导通的特性,因而不仅可以隔绝活性材料与电解液的直接接触分解,而且可以保证电极中高离子扩散和传输。与一般的石墨烯锂离子超级电容器相比,采用 PEC处理石墨烯正极的锂离子超级电容器不仅展现出优异的能量密度和高的功率特性,而且循环稳定性更佳(每次循环衰减量仅为0.011%)。

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