《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先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-07-30
    • 近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员吴忠帅二维材料与能源器件研究组团队与中国科学院院士包信和团队及清华大学深圳研究生院副教授贺艳兵合作,开发出一种具有高能量密度、良好柔性、优异高温稳定性及高度集成化的全固态平面锂离子微型电容器。相关研究成果发表在《能源和环境科学》(Energy Environ. Sci.)上。 近年来,可穿戴、便携式电子设备以及微机电系统(如微型机器人、微型传感器)正朝着轻薄短小、多功能集成的方向快速发展,极大地促进了现代社会对于高功率密度、高能量密度、柔性化、模块化集成等特征的微型储能器件的需求。传统锂离子电容器由于具有锂离子电池的高能量密度,又具有超级电容器的高功率密度而备受关注。然而,其三明治堆叠结构的器件构型极大地限制了其机械柔性、高温性能以及模块化集成能力。 最近,该研究团队在国际上率先开发出一种新概念的全固态柔性平面锂离子微型电容器。该微型电容器以高导电石墨烯为集流体,以高电压离子凝胶作为电解质,以纳米钛酸锂为负极和活化石墨烯为正极构筑出高离子电子传导的平面交叉指型微电极,进而在一个基底上组装出全固态锂离子微型电容器。该锂离子微型电容器具有高能量密度53.5mWh/cm3,高于目前报道的锂薄膜电池和微型超级电容器。同时,该锂离子微型电容器具有优异的循环稳定性,6000次循环后电容保持率为98.9%;具有高温电化学稳定性,能在80°C条件下稳定工作;以及具有优异的机械柔性,在各种弯曲和扭曲状态下达到性能基本没有衰减。此外,该锂离子微型电容器表现出良好的模块化集成能力,无需金属连接体,可有效调控输出的工作电压和容量。因此,该工作为开发柔性化、小型化、智能化储能器件提供了新的策略。 上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家青年相关人才计划等项目的资助。