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我國新型高效儲能電極材料研究獲重要進(jìn)展

   2016-05-27 中國儲能網(wǎng)

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核心提示:近期,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領(lǐng)的研究團隊與北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員合作,合成了一種有序介

近期,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領(lǐng)的研究團隊與北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員合作,合成了一種有序介孔少層碳的新型材料,其碳的sp2雜化程度高達(dá)98%,厚度少于5個原子層,是石墨烯廣義家族中的一種新結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的三維微觀導(dǎo)電性能,經(jīng)氮摻雜后具有優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性。

現(xiàn)代移動式設(shè)備、電動汽車等要求儲能器件同時滿足高能量密度、高功率密度、長壽命、安全可靠、價格低廉等特性,然而儲能器件的高能量存儲與快速充放通常是相互制約的。例如,鋰電池具有高能量密度(80-250瓦時/公斤),但其功率密度低、充放電速度慢;傳統(tǒng)的電容器具有極高的功率密度,但其能量密度往往很低,難以有效存儲能量。為了滿足高功率和高能量的要求,往往需要將二次電池和電容器聯(lián)合使用。然而,這樣不僅會增加儲能系統(tǒng)的重量和體積,還會降低能量的利用效率。

超級電容器(也稱電化學(xué)電容器)是介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種電化學(xué)儲能裝置,具有功率密度高、充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于交通運輸、港口機械、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電等需要大功率輸出的領(lǐng)域,目前已經(jīng)形成了非常可觀的市場規(guī)模,近年來保持近20%的全球增長率。與電池類似,超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成,其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理,其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高,但電容量小(<250法拉/克);而導(dǎo)電聚合物和過渡金屬氧化物則能通過與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)而獲得高的電容量,但其導(dǎo)電性較弱、穩(wěn)定性差。此外,現(xiàn)有儲能器件中所使用的電解液通常為有機體系,通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。

為解決上述問題,科研人員設(shè)計合成了一種具有高比表面積的氮摻雜有序介孔少層碳材料(微觀厚度少于5層),該材料具有良好的電化學(xué)儲能特性,比容量達(dá)855法拉/克。高比表面積特性可增加電極的雙電層電容;而氮摻雜則進(jìn)一步引入了氧化還原反應(yīng),增加了電化學(xué)儲能活性,同時又能保持高導(dǎo)電率。該團隊研究了電極材料中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位,還決定了電極材料的電容量。例如,吡啶型和吡咯型氮原子的電化學(xué)活性高于石墨型氮原子。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設(shè)計高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。

然而,氮摻雜盡管可以提升電極的電容量,但從其循環(huán)伏安特性中可以看到明顯的氧化還原峰,當(dāng)組裝成對稱性器件時,電容量的損失接近20%(理想超級電容器的循環(huán)伏安曲線是矩形,當(dāng)組裝成對稱性器件時,其電容量是無損失的)。這是由于電容器的兩個電極在器件中是串聯(lián)的,其整體電容量取決于兩者較小值。這就好比兩種彈性的彈簧串聯(lián),其整體彈性取決于彈性低者。為解決這一問題,該團隊采用復(fù)合不同氧化還原電位電極材料的方法,獲得了循環(huán)伏安曲線近似矩形的復(fù)合電極材料,將該復(fù)合電極材料組裝成對稱性電容器后,其電容量的損失只有2%,器件性能非常優(yōu)異。目前,該器件的能量密度為41瓦時/公斤,可以和鉛酸、鎳氫(能量密度40-80瓦時/公斤)等電池相比;其功率密度高達(dá)26千瓦/公斤,遠(yuǎn)高于二次電池(<0.5千瓦/公斤)。另外,他們還采用了環(huán)保的水基電解液替代有毒有害的有機體系,提升了器件的安全性與可靠性。

此外,他們獲得的最新研究結(jié)果表明,該類材料的能量密度還可以通過拓展電化學(xué)窗口進(jìn)一步提高,獲得更高能量密度的超級電容器。此項研究成果對于推動我國超級電容器的行業(yè)發(fā)展,提升行業(yè)競爭優(yōu)勢具有重要意義。

相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。



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