基于对称电极的电化学储能器件

日益严重的环境问题以及能源危机让人们对清洁、高效储能系统的需求越来越迫切。在众多的储能系统中,钠离子电池、超级电容器以及在现阶段商业应用最为成功的锂离子电池都在便携式电子设备以及电动汽车领域发挥着至关重要的作用。在这些储能系统中,电极材料电化学性能的好坏、生产成本以及实际应用过程中安全性能的高低都直接决定着他们在未来商业化储能领域的实际应用价值。因此,对于那些具有低成本、高能量密度以及高安全性的新型电极材料的研发也就显得愈发迫切和重要。

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在众多的电极材料类型中,对称电极材料显得比较独特。人们对于对称电极材料的研发最早开始于超级电容器领域,但是在锂离子电池尤其是钠离子电池的研究一直相对薄弱。对称电极材料,顾名思义就是在同一个储能系统中,相同的活性电极材料可以同时被用作正极以及负极材料。正是由于它的这一特质,使得以对称电极材料作为正负极的对称电化学储能系统具有其他系统不可比拟的优点。在实际生产过程中只需要生产一种电极材料即可满足生产需求,从而极大的简化并降低了生产工艺流程以及生产成本。对称电化学储能系统还具有其他更为引人注目的亮点。由于大部分电极材料在充放电循环过程中不可避免的会出现体积膨胀、收缩等变化,这就给储能系统整体的安全性和稳定性带来了不利的影响。但是在对称储能系统中,比如对称锂离子电池,当负极因为锂离子的嵌入而体积膨胀的同时,身为正极的同种电极材料就会因为锂离子的脱出而体积收缩,这就使得电池的整体体积维持不变,从而使得此类储能系统的稳定性都能得到提高。

基于对称电极材料具有诸多优点但研发不足的研究现状,华中科技大学动力与储能电池实验室与卧龙岗大学刘华坤、窦世学教授课题组,对现阶段对称电极材料在电化学储能领域的研究进展以及研究现状进行了总结报道。他们从对称电极材料在电化学反应过程中的机制,以及近年来不同种类的对称电极材料在锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器中的应用等几个方面进行了总结概括。同时,对现阶段对称电极材料所存在的缺点,在研究过程中面临的问题,以及未来的研究重点和研发方向等也提出了意见和建议。相关论文在线发表在Advanced Science (Doi: 10.1002/advs.201600115)