電容器實(shí)現(xiàn)能量密度的超級飛躍

科學(xué)導(dǎo)報(bào)訊 記者閆劍利 超級電容器具有高功率密度和長循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但較低的能量密度制約了其大規(guī)模應(yīng)用。8月8日，記者從山西煤化所獲悉，該所陳成猛課題組通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)電極材料以及組裝非對稱電容器和柔性全固態(tài)電容器，實(shí)現(xiàn)了電容器能量密度的顯著提升，并取得了一系列科研進(jìn)展。

課題組研究人員以聚苯乙烯鏈段作為自模版劑，聚丙烯腈鏈段作為富氮碳源，經(jīng)炭化和活化，形成多級孔結(jié)構(gòu)的炭材料，在水系對稱器件中展現(xiàn)出高倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。并進(jìn)一步利用生物質(zhì)柳絮天然通道作模板，通過調(diào)控碳化和活化條件，制成了管狀、多孔、大比表面積炭材料。以此多孔炭電極構(gòu)建的有機(jī)系超級電容器顯示出高比容量與長壽命的特點(diǎn)。

在研發(fā)過程中，課題組還針對目前由于水分移除產(chǎn)生的毛細(xì)管作用力會引起孔收縮甚至坍塌，導(dǎo)致碳?xì)饽z的比表面積較低的問題，研究人員將氧化石墨烯添加到酚醛樹脂中，利用氧化石墨烯作為模板劑和增強(qiáng)劑的特性來調(diào)控碳?xì)饽z的孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)一步碳化法獲得了超高比表面積的碳?xì)饽z。所得的碳?xì)饽z有望用作超級電容器電極材料以及Li電池和Na電池的負(fù)極材料。

為進(jìn)一步拓展水系超級電容器的工作電壓，課題組與700組研究人員將帶有相反電荷的鈷鎳雙金屬氫氧化物和氧化石墨烯納米片通過靜電作用，制得具有層狀結(jié)構(gòu)的NiCo2O4/石墨烯復(fù)合材料，并構(gòu)建了穩(wěn)定工作電壓達(dá)1.5V的NiCo2O4/石墨烯復(fù)合材料//活性炭非對稱超級電容器體系，其展示了優(yōu)異的循環(huán)性能以及高的能量密度。

此外，研究還針對純石墨烯膜普遍存在緊密疊層、團(tuán)聚與易碎的問題，通過在石墨烯層間引入帶正電荷的Fe（OH）3膠體，抽濾成膜后經(jīng)水熱還原獲得了石墨烯/Fe2O3復(fù)合薄膜，并構(gòu)建了全固態(tài)超級電容器。由于該薄膜固有的柔性特征，組裝的全固態(tài)電容器在彎曲180度條件下，容量幾乎無衰減，說明其在柔性儲能領(lǐng)域有潛在應(yīng)用前景。

據(jù)了解，這些研究得到了國家自然科學(xué)基金、山西省自然科學(xué)基金和山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的大力支持，研究取得的系列成果為超級電容器的大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)支持和新的研究思路。