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當非晶“戀”上石墨烯 超級電容就開始變得神奇

2016-08-09 14:40 閱讀 3319

海南环岛赛游戏开奖 www.qcqvg.icu 北極星儲能網訊:編者按:可再生能源的開發利用越來越引起人們的重視,能源存儲技術在此階段對于推動能源體系經濟非常關鍵,超級電容器正在被當做能源/電源生產的替代品。

超級電容器

超級電容器是一種介于傳統電容器和二次電池之間的新型無維護儲能器件,其比能量、比電容是傳統電容器的1000倍以上,比功率是二次電池的10倍以上,具有工作溫度范圍寬、可快速充放電、循環壽命長以及無污染零排放的優點。因此,超級電容器作為一種大功率的儲能器件,在電動汽車、混合動力汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通訊、國防以及消費性電子產品等眾多領域有巨大的應用價值和市場潛力。超級電容器按照其電荷存儲原理可分為雙電層電容器和法拉第準電容器。雙電層電容器基于雙電層理論,利用電極和電解質之間形成的界面雙電層電容來存儲能量。法拉第準電容器基于法拉第過程,在電極表面或體相附近一定范圍,進行快速、可逆、無相變的電活性物質欠電位沉積、化學吸附、脫附或氧化還原反應,從而產生與充電電位有關的電容來實現能量的存儲。

目前存在主要問題

一直以來,超級電容器電極材料的研究集中在納米晶材料上,但是納米晶材料很難擴張或收縮的性質以及離子擴散各項異性的特點限制了超級電容器的循環壽命和快速充放電性能。同時,納米晶材料的合成通常在高溫下進行,大大提高了生產成本,并且工藝復雜,很難做到大量生產,極大地限制了超級電容器的廣泛推廣,目前只有少量應用商業化的超級電容器產品中。

用上納米非晶會有什么效果

直到近幾年,非晶材料開始被提出作為超級電容器的電極材料,也逐漸吸引了廣大科研工作者的興趣。相比于結晶材料的合成溫度,非晶材料更低,因此大大降低了電極材料的合成成本。非晶材料沒有晶格束縛,屬于無定型態,因此其結構更加穩定,體積可調控,這有助于離子的傳輸,因此作為儲能材料,非晶材料具有廣闊的前景。然而,美中不足的是非晶材料較差的導電性以及較小的比表面積在一定程度上限制了超級電容性能進一步提高。所以,研發低成本、可大量生產、高循環壽命以及可快速充放電的新型非晶材料是新能源儲能領域的核心科學問題,同時也是世界超級電容器工業化生產的難題。

為什么會想到納米非晶

納米晶材料相比塊體晶化材料在多種性能上有了大幅度的提高,以此類比,納米非晶材料同塊體非晶材料相比必然具有更加優異的性能。將非晶材料納米化之后,可以有效提高材料的比表面積,對于超級電容器電極材料來說,使用納米非晶材料將極大提高電極表面的儲能活性位點并縮短離子傳輸路徑,對電極的電化學儲能性能將大幅度提高。

納米非晶看上石墨烯

南京理工大學夏暉教授團隊等發明了一種適于大批量生產的合成方法成功在室溫制備了FeOOH納米非晶量子點(平均粒徑2nm)并將其附載在石墨烯上得到FeOOH/石墨烯復合納米片。通過石墨烯構建的三維導電網絡及FeOOH納米非晶量子點提供的大活性表面,使得該復合電極材料表現出優異的超級電容性能。單電極在-0.8-0V(vsAg/AgCl)的電位窗口可達到365F/g的高比電容值,并在128A/g的大電流密度下仍能保持189F/g的電容值。同比情況下優于晶體化的電極材料。該工作提出納米非晶鐵氧化物/氫氧化物材料是一類新型具有較好應用前景的超級電容器電極材料,并為高性能超級電容器電極材料的設計提供一種新思路。

哪些需要進一步提高

盡管所得到的納米非晶FeOOH/石墨烯復合納米片在-0.8-0V的電壓區間表現出良好的電容性能,該復合電極材料在-1.3-0V的電壓區間可得到高達1243F/g的比電容值,但電極材料發生部分溶解,影響了電極穩定性,需要進一步的研究工作予以改善。

發展展望

合成的非晶FeOOH/石墨烯復合納米片,發明的合成方法綠色環保、簡單易行。在常溫常壓下進行,所需的材料就是鐵鹽以及碳等,在自然界里儲量都很豐富,又很容易提取,極大地降低了成本;同時其合成過程中沒有有毒有害氣體伴隨生成,更重要的是材料合成的量取決于容器的大小,使其工業化生產成為了可能。該復合電極材料表現出優異的超級電容性能,具有高循環使用壽命,可快速充放電。夏暉教授說:“相比其它納米晶材料的合成過程,非晶納米材料的合成方法簡單易行,工藝簡便,容易調控,能夠滿足工業生產中技術的要求,這種新材料進入產業化生產具有光明的前景?!?/p>

  

【相關成果發表在學科期刊《AdvancedFunctionalMaterials》26(2016)919,該工作是夏暉教授課題組在前期氧化鐵/石墨烯復合納米材料用于不對稱超級電容器研究的基礎上發展起來的,前期研究成果發表在《AdvancedFunctionalMaterials》25(2015)627-635】

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