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近十年超级电容器领域的重大突破

北极星储能网  来源:材料人  作者:李敬  2017/3/15 9:02:07  我要投稿  

北极星储能网讯:小烯导读:与传统电容器相比,超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点,而与锂离子电池相比,超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势,在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。

随着社会的快速发展和人口的急剧增长,资源消耗日益增加,能源危机迫在眉睫,因此,寻找清洁高效的新能源与能源存储技术及装置已成为备受关注的研究课题。与传统电容器相比,超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点,而与锂离子电池相比,超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势,在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,通过在电极材料和电解质界面快速的离子吸脱附或完全可逆的法拉第氧化还原反应来存储能量,根据储能与转化机制的不同可将超级电容器分为双电层电容器(Electric double layer capacitors,EDLC)和法拉第准电容器(又叫赝电容器,Pseudocapacitors)。双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的,1879年,Helmholz发现了电化学界面的双电层电容性质;1957年,Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利(提出可以将小型电化学电容器用做储能器件);1962年,标准石油公司(SOHIO)生产了一种6V的以活性碳(AC)作为电极材料、以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器,1969年,该公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化;1979年,NEC公司开始生产超级电容(Super CaPACitor),开始了电化学电容器的大规模商业应用。随着材料与工艺关键技术的不断突破,产品质量和性能不断得到稳定和提升,到了九十年代末开始进入大容量高功率型超级电容器的全面产业化发展时期。超级电容器作为电化学能源存储领域的前沿研究方向之一,近十年内有多个突破性工作,其发展也向着小型化、柔性化、平面化等方向发展。

石墨烯在实验室中是2004年被发现的,当时英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈˙杰姆和克斯特亚˙诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。石墨烯具有优异的电导性、超高的比理论表面积、稳定的物理化学特性等特点,因此石墨烯基超级电容器具有优异的电化学性能,如高的比容量、极长的寿命、极小的阻力等。目前石墨烯基超级电容器研究成为储能领域的一大热点,石墨烯基电极材料有望全面超越传统碳材料而得到广泛应用。然而石墨烯团聚导致的低表面积和长离子传输路径严重限制了石墨烯基电容器的应用价值,因此人们一直致力于制备大比表面积、短离子传输路径的石墨烯基电极材料。

图1 商业超级电容器实物图(a, b),混合动力汽车中的超级电容器电源(c)

在下面的内容中,材料人网为大家推荐几篇材料科学领域内超级电容器方向的ESI高被引文章,并按发文时间顺序对十年来的优秀文章内容及其通讯作者加以介绍,旨在为读者了解超级电容器高质量文献以及这一领域的研究团队提供便利。

文献一Preparation and acterization of graphene oxide paper.

(Nature , 2007,DOI:10.1038/nature06016)被引频次:2551

图2 氧化石墨烯纸的形态和结构

自支撑的纸型和薄膜型材料已经是当今社会技术中的一部分,它们可以应用在保护圈、化学滤器、电池和超级电容器的组分、粘结层以及分子存储等方面,纳米级的无机纸型材料(比如剥离的蛭石和云母板)已经受到很多关注,而且已经作为保护涂料、高温粘结剂、介质阻挡和气体防渗膜等材料商业化。来源于巴奇纸的碳纳米管显示出优异的机械和电子性能,使它可能应用于燃料电池和结构复合物。文章报道了一种氧化石墨烯纸的制备和表征,这种氧化石墨烯纸是单个氧化石墨烯片层定流控制制备的碳基膜材料。这种新型材料在刚度和强度上超过其他很多纸型材料,这种材料结合了宏观上刚性和柔性两种优点,纸型的片层之间有很大的表面相互作用力,其褶皱也处于原子级别,褶皱形态处于亚微米级别,这些条件使材料的宏观样品具有高效的载荷分布,也使材料相比于传统的碳基、黏土基纸更有弹性。类似于氧化石墨烯的廉价原始材料促进了大面积纸型片层的制备,同时可以应用于可控渗透过滤膜、各向异性离子导体、超级电容器、分子储存材料等。石墨烯氧化纸也可以掺杂或作为物质载体制备含有聚合物、陶瓷和金属的混合材料。另外,分层的氧化石墨烯片层表面有许多化学官能团使材料具有更多功能。

通讯作者Ruoff教授,2014年之前任美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)材料科学与工程讲席教授,现已通过韩国杰出科学家计划引进至韩国蔚山国立科技大学(UNIST),担任韩国基础科学研究院(Institute for Basic Science)多维碳材料研究研究中心(Center for Multidimensional Carbon Materials)主任。作为知名碳材料研究专家,Ruoff教授1988年在University of Illinois-Urbana获得化学物理博士学位,1988-1989在Max Planck Institute fuer Stroemungsforschung任Fulbright Fellow。他曾经于2002-2007年间在美国西北大学作为John Evans Professor并在该校的Biologically Inspired Materials Institute担任Director。至今Ruoff教授已经在化学、物理、材料科学、机械工程以及生物医药工程等领域发表超过360篇研究论文,并被Thomson Reuters评为2000-2010最顶尖的100名材料科学家之一(排名第16)。他是多家国际期刊的主编或者编委,并曾获得多项国际学术界奖项。Ruoff教授在材料领域尤其在碳纳米材料领域有着深厚的造诣,曾经在金刚石、富勒烯、纳米碳管和石墨烯领域做出了多项杰出工作,在Science和Nature期刊上发表多篇文章。

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