《我国开发出高能量密度的柔性钠离子微型超级电容器》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-11-07
  • 中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3)研究员吴忠帅团队与中国科学院院士包信和团队合作开发出具有高能量密度、高柔性、高耐热性能的柔性平面钠离子微型超级电容器。

    微型化电化学储能器件已被广泛认为是柔性化、微型化、智能化集成电子产品的关键电源,如遥感器、微型机器人和自供电微系统等。杂化微型超级电容器,因结合微型电池的高能量密度和微型超级电容器的高功率密度的优点,是一种新型的微型电化学储能器件。相对于金属锂,钠资源丰富、成本低廉、且钠的电化学性能与锂相似,因此,开发出钠离子微型储能器件具有重要的应用前景。

    最近,该团队以海胆状的钛酸钠为电池型的负极、多孔活化石墨烯为电容型的正极,结合高压离子液体凝胶电解液,成功构建了柔性化平面钠离子微型超级电容器。通过电池型负极和电容型正极的有效耦合,该钠离子微型超级电容器能够在3.5 V的高压下稳定工作,具有高能量密度37.1 mWh/cm3和超低的自放电速率(44h,从3.5V到2.1V)。该钠离子微型超级电容器具有多方向快速离子扩散通道,极大地降低了电荷转移电阻,并显著提高了功率密度。同时,由于器件的平面几何结构和离子凝胶电解液的不可燃性,该微型器件具有良好的机械柔韧性和80℃的高温稳定性。

    上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等的资助。相关研究成果发表在《先进科学》(Advanced Science)上。

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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-11-15
    • 把海胆状的钛酸钠作为负极,多孔活化石墨烯作为正极,当它们结合时会产生怎样的“火花”?记者近日从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所吴忠帅研究员团队与包信和院士团队合作,让“海胆”与石墨烯结合,开发出具有高能量密度、高耐热性能的柔性钠离子微型超级电容器。   微型传感器、微型机器人、自供电微系统等都离不开微型电化学储能器件,该器件主要是指一类电极尺寸在微米范围内的小型化电源,被认为是柔性化、微型化、智能化集成电子产品的关键电源,目前主要分为微型电池和微型超级电容器,以及近年来出现的杂化微型超级电容器。   据介绍,微型电池具有较高的能量密度,但其功率密度较低;微型超级电容器具有较高的功率密度,但能量密度又较低。而杂化微型超级电容器则结合了微型电池的高能量密度以及微型超级电容器的高功率密度的优点,成为一种新型的微型电化学储能器件,这其中比较有代表性的就是锂离子微型超级电容器。   锂离子微型超级电容器具有较高的能量密度和功率密度,但其大规模应用受制于金属锂的资源限制和较高的开发成本(锂的地壳丰度为0.006%)。与此相反,钠的地壳资源丰富,占比达2.74%,开发成本较为低廉,与锂的电化学性能也较为相似,开发出钠离子微型超级电容器具有重要的应用前景。   中国科学院大连化物所研发团队将海胆状的钛酸钠作为电池型的负极,多孔活化石墨烯为电容型的正极,结合高压离子液体凝胶电解液,成功构建出柔性化钠离子微型超级电容器。他们通过电池型负极和电容型正极的有效耦合,使钠离子微型超级电容器能够在3.5伏的高压下稳定工作,高能量密度达到37.1毫瓦时/立方厘米,并形成超低的自放电速率。   研发人员介绍,该钠离子微型超级电容器具有多方向快速离子扩散通道,极大地降低了电荷转移电阻,并显著提高了功率密度。同时,由于器件的平面几何结构和离子凝胶电解液的不可燃性,该微型器件具有良好的机械柔韧性和80℃的高温稳定性。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2017-10-17
    • 近日,使用简单的逐层涂布技术,美国和韩国的研究人员开发了一种纸质柔性超级电容器,该超级电容器具备高能量和高功率密度的极佳性能。 我们通常根据三种性质来判断储能装置的优劣:能量密度、功率密度和循环稳定性。与电池相比,超级电容通常具有高功率密度,但是能量密度低,即超级电容存储电量的能力要弱于电池,但是瞬间充放电能力要优于电池。 所以想要将电容作为储能设备,其低能量密度是最大的限制。为了提高超级电容器的性能,韩国大学化学与生物工程系的Lee和合作者Jinhan Cho就提高超级电容器的能源密度进行研究,同时他们将保持其高功率产出。 实验中,首先,他们将纸样品浸入含有胺表面活性剂材料的溶液的烧杯中,其中,该表面活性剂可以将金纳米颗粒粘合到纸上;接着,他们将纸浸入含有金纳米颗粒的溶液中。由于纸的本质是一种纤维,且纤维是多孔的,所以表面活性剂和纳米颗粒进入纤维后会很牢固的附着在上面,以此在每个纤维上形成共形涂层。 通过重复浸渍步骤,研究人员得到了一张导电纸,随后他们在其上添加了交替层的金属氧化物储能材料,如氧化锰。对这一过程,Lee表示:“这基本上是一个非常简单的过程,我们在烧杯中交替进行操作,为纤维素纤维提供了良好的保形涂层。这样,我们就可以折叠所得到的金属纸而不损坏导电性。” 研究人员表明,他们的自组装技术改进了纸张超级电容,据测试,该金属纸张超级电容器的最大功率和能量密度分别为15.1 mW / cm2和267.3 uW / cm2,基本超过传统纸张或纺织超级电容。 值得注意的是,此研究中,研究人员使用的是金纳米颗粒,因为该材质颗粒易于使用,但他们计划使用较便宜的金属如银或铜,以降低材料成本。 虽然这项研究涉及到小型纸张样本,但是基于实际应用中解决方案的技术要求,研究人员表示完全可以使用更大的储罐甚至喷涂技术将其放大使用。对于该技术,Lee还补充说:“我们对施涂在纸张上的涂层进行了纳米级控制,如果我们增加层数,性能将继续增加。” 接下来,研究团队将测试柔性织物上的技术,以及开发可与超级电容器配合使用的柔性电池。 关于该技术的应用前景,佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Seung Woo Lee表示:“这种灵活的储能装置为可穿戴设备和物联网设备之间提供独特的连接方式,未来它将会应用于生物医学传感器、消费电子和军事电子产品等,将柔性电容与电子设备相结合,它可以推动最先进的便携式电子产品的发展。”