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当非晶“恋”上石墨烯 超级电容就开始变得神奇

2016-08-09 14:40 阅读 2605

北极星储能网讯:编者按:可再生能源的开发利用越来越引起人们的重视,能源存储技术在此阶段对于推动能源体系经济非常关键,超级电容器正在被当做能源/电源生产的替代品。

超级电容器

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型无维护储能器件,其比能量、比电容是传统电容器的1000倍以上,比功率是二次电池的10倍以上,具有工作温?#30830;段?#23485;、可快速充放电、循环寿命长以及无污染零排放的优点。因此,超级电容器作为一种大功率的储能器件,在电动汽车、混合动力汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通讯、国防以及消费性电子产品等众多领域?#33455;?#22823;的应用价值和市场潜力。超级电容器按照其电荷存储原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器基于双电层理论,利用电极和电解?#25163;?#38388;形成的界面双电层电容来存储能量。法拉第准电容器基于法拉第过程,在电极表面或体相附近一定?#27573;В?#36827;行快速、可逆、无相变的电活性物?#26159;?#30005;位沉积、化学吸附、脱附或氧化还原反应,从而产生与充电电位有关的电容来实现能量的存储。

目?#25353;?#22312;主要问题

一直以来,超级电容器电极材料的?#33455;?#38598;中在纳米晶材料上,但是纳米晶材料很难扩张或收缩的性质以及离子扩散各项异性的特点限制了超级电容器的循环寿命和快速充放电性能。同时,纳米晶材料的合成通常在高温下进行,大大提高了生产成本,并且工艺复杂,很难做到大?#21487;?#20135;,极大地限制了超级电容器的广?#21644;?#24191;,目前只有少量应用商业化的超级电容器产品中。

用上纳米非晶会有什么效果

直到近?#25913;輳?#38750;晶材料开始被提出作为超级电容器的电极材料,也逐渐吸引了广大科研工作者的兴趣。相比于结晶材料的合成温度,非晶材料更低,因此大大降低了电极材料的合成成本。非晶材料没有晶格束缚,属于无定型态,因此其结构更加稳定,体积可调控,这有助于离子的传输,因此作为储能材料,非晶材料具有广阔的前景。然而,美中不足的是非晶材料?#21916;?#30340;导电性以及较小的比表面积在一定程度上限制了超级电容性能进一步提高。所以,研发?#32479;?#26412;、可大?#21487;?#20135;、高循环寿命以及可快速充放电的新型非晶材料是新能源储能领域的核心科学问题,同时也是世界超级电容器工业化生产的难题。

为什么会想到纳米非晶

纳米晶材料相比块体晶化材料在多?#20013;?#33021;上有了大幅度的提高,以此类比,纳米非晶材料同块体非晶材料相比必然具有更加优异的性能。将非晶材料纳米化之后,可以有效提高材料的比表面积,对于超级电容器电极材料?#27492;擔?#20351;用纳米非晶材料将极大提高电极表面的储能活性位点并缩短离子传输路径,对电极的电化学储能性能将大幅度提高。

纳米非晶看上石墨烯

南京理工大学?#24180;?#25945;授团队?#30830;?#26126;了一种适于大批?#21487;?#20135;的合成方法成功在室温制备了FeOOH纳米非晶量子点(平均粒径2nm)并将其附载在石墨烯上得到FeOOH/石墨烯复合纳米片。通过石墨烯构建的三维导电网络及FeOOH纳米非晶量子点提供的大活性表面,使得该复合电极材料表现出优异的超级电容性能。单电极在-0.8-0V(vsAg/AgCl)的电位窗口可达到365F/g的高比电容值,并在128A/g的大电流密度下仍能保持189F/g的电容值。同比情况下优于晶体化的电极材料。该工作提出纳米非晶铁氧化物/氢氧化物材料是一类新型具有较好应用前景的超级电容器电极材料,并为高性能超级电容器电极材料的设计提供一?#20013;?#24605;路。

哪些需要进一步提高

尽管所得到的纳米非晶FeOOH/石墨烯复合纳米片在-0.8-0V的电压区间表现出良好的电容性能,该复合电极材料在-1.3-0V的电压区间可得到高达1243F/g的比电容值,但电极材料发生部分溶解,影响了电极稳定性,需要进一步的?#33455;?#24037;作予以改善。

发展展望

合成的非晶FeOOH/石墨烯复合纳米片,发明的合成方法绿色环保、简单易行。在常温常压下进行,所需的材料就是铁?#25105;?#21450;碳等,在自然界里储量都很丰富,又很容易提取,极大地降低了成本;同时其合成过程中没有有毒有害气体伴随生成,更重要的是材料合成的量取决于容器的大小,使其工业化生产成为了可能。该复合电极材料表现出优异的超级电容性能,具有高循环使用寿命,可快速充放电。?#24180;?#25945;授说:“相比其它纳米晶材料的合成过程,非晶纳米材料的合成方法简单易行,工艺简便,容易调控,能够满足工业生产中技术的要求,这?#20013;?#26448;料进入产业化生产具有光明的前景。”

  

【相关成果发表在学科期刊《AdvancedFunctionalMaterials》26(2016)919,该工作是?#24180;?#25945;授课题组在前期氧化铁/石墨烯复合纳米材料用于不对称超级电容器?#33455;?#30340;基础上发展起来的,前期?#33455;?#25104;果发表在《AdvancedFunctionalMaterials》25(2015)627-635】

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