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韓方明等合作團隊在致密儲能的超級電容器研究方面取得進展
文章來源: 林豆 發布時間: 2020-09-02

  近期,中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術研究部韓方明研究員與美國特拉華大學魏秉慶教授合作,致密儲能的超級電容器研究方面取得進展。通過合理的電極和器件結構設計,制備了一種由交替堆疊高導電Ti3C2Tx薄膜作為自支撐電極、凝膠電解液作為離子載體及隔膜的超級電容器,解決了增加電極質量負載時通常出現的電阻增大、離子擴散受阻以及性能退化等問題,提升了超級電容器的體積能量密度。相關研究成果以Alternately Stacked Thin Film Electrodes for High-Performance Compact Energy Storage”為題發表在Nano Energy 上。 

  隨著電子器件及產品朝著小型化發展的趨勢,開發高體積能量密度、結構合理的電極材料和致密電化學儲能器件具有非常重要的意義。在前期發現高致密性二維薄膜材料能有效提升超級電容器體積能量密度的基礎上采用真空抽濾的高導電Ti3C2Tx薄膜為自支撐電極,通過交替堆疊成功制備了高致密的堆疊構型的超級電容器。這種結構設計從器件尺度上解決了電化學電能存儲器件中,由于電極活性材料負載增加而導致的離子輸運與擴散路徑變長、電荷轉移動力學差以及離子可觸及面積比例減小等問題,提升了超級電容器的體積能量密度。

       此外,該電極結構設計還具有以下幾方面獨特優勢:(1無需集流體與隔膜,以凝膠電解液作為離子載體及隔膜,提升了活性材料在器件中的比例;(2)在不增加單個電極活性材料負載的前提下,增加了整個器件中活性材料的負載量(108.8 mg cm-2);(3增加器件中活性材料負載量的同時控制離子在電極中輸運及擴散的距離,在保證功率密度的基礎上提高了面積比電容(10.8 F cm-2)和體積能量密度(10.4 mWh cm-3);(4)與單個常規電容器(單個電極負載1.7 mg cm-2)及其簡單疊加(個常規電容器疊加)相比薄膜堆疊構型中電極結構致密且集成緊密,導電性能更好,電化學性能更為優異。本研究將為合理設計和構建致密的高體積能量密度的電化學儲能器件提供一種新方法,對致密電化學儲能器件的研發具有重要的指導意義。

  研究工作得到了國家自然科學基金委重大項目和面上項目基金的支持。 

  論文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520309009 

   

  1. 交替堆疊電極構型的超級電容器的組裝及結構示意圖。 

   

  2. 傳統兩電極構型與交替堆疊電極構型的電化學性能對比。 

   

  3. 交替堆疊電極構型的超級電容器基于整個器件的電化學性能。 

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