垂直取向石墨烯显著改善界面电荷输运实现超高倍率性能超级电容器

储能是能源利用和可持续发展过程中的重要环节,储能技术的发展是推动新能源规模化发展的关键性因素。基于界面双电层理论的超级电容器是一种先进的储能技术,相比于二次电池储能在充电速度、功率密度、循环寿命及安全性和环保性方面具有显著优势,在新能源发电系统、智能分布式电网系统建设和新能源汽车产业等领域就有广阔的应用前景。

目前已开展或正在开展大量关于超级电容器活性材料开发和优化方面的研究工作,与之相对,活性材料与集流体之间的界面电荷输运则没有得到充分关注。事实上,活性材料与集流体之间由于表面粗糙和接触点有限等原因,容易形成较大的接触电阻,进而严重影响超级电容器的倍率性能和功率密度。

针对这一问题,浙江大学能源系能源清洁利用国家重点实验室薄拯副教授课题组美国威斯康辛大学陈君红教授课题组,以及德国马普高分子研究所冯新亮教授课题组开展合作研究,结合工程热物理传质、等离子体先进能源材料制备、电化学储能等领域相关理论,提出采用垂直取向石墨烯桥接活性材料和集流体,显著提高电荷输运特性并降低接触电阻,实现优异的倍率性能和功率密度的高性能超级电容储能。实验结果表明:当循环伏安扫速从20 mV/s增大到1000 mV/s,或者恒电流充放电电流密度从1 A/g增大到100 A/g时,电容保持率约90%;可以实现在600 A/g的超高电流密度下实现稳定充放电,在水溶液电解液中的功率密度达112.6 kW/kg。该方法在双电层电容、赝电容、混合电容,以及二次电池中具有巨大的应用潜力,研究成果作为扉页文章(Frontispiece)发表于Advanced Materials

上述研究是该课题组关于垂直取向石墨烯可控制备及能源领域应用的重要进展,对于该材料的推广应用以及化学储能传质理论的发展具有重要意义。