InfoMat:南开大学牛志强研究员课题组:智能超级电容器:从材料到器件

1.文章简介

近日,南开大学化学学院牛志强研究员课题组总结了近期智能超级电容器的研究进展,包括自愈合、形状记忆、电致变色和光检测超级电容器。本文简述了智能超级电容器的工作原理,对它们的关键材料(电极、电解质)和结构设计(薄膜状、线状、微结构)进行了详细讨论,最后总结了智能超级电容器目前面临的挑战,并对其未来前景进行了展望。该工作以题为“Smart supercapacitors from materials to devices”发表在InfoMat上(InfoMat, 2019, DOI: 10.1002/inf2.12037)。

2.研究背景介绍

近年来,越来越多的智能电子器件被成功开发出来,发展与之匹配的智能储能器件,例如兼具自愈合、形状记忆、电致变色、光检测等储能器件成为研究热点。超级电容器由于具有结构简单、功率密度高、循环寿命长等优势,因此,智能超级电容器收到广泛关注。智能超级电容器的成功制备关键在于开发新型功能材料和设计器件结构。其中,新型电极或电解质材料不仅应具有高的比容量或电导率,还应实现智能功能。同时,智能超级电容器的器件结构需要更加简单化和多样化,以满足更多轻、薄、柔电子器件匹配要求。

3.研究亮点总结

文章总结了近年来智能超级电容器的发展,包括自愈合、形状记忆、电致变色和光检测超级电容器。简述了它们的工作原理,并对它们的关键材料和结构设计进行了详细讨论,最后总结了它们面临的挑战并对其未来前景进行了展望。

4.成果简介/图文导读

图1 智能超级电容器

自愈合超级电容器通过在电极或电解质中加入自愈合材料实现自愈合功能,这些自愈合材料中通常具有动态物理/化学交联键,在受到外界物理刺激(光、热、pH等)时,会发生可逆的“断裂-修复”转化,因此展现出自愈合功能。

图2 自愈合超级电容器

形状记忆超级电容器可以避免器件长期局部应力产生的结构破坏,延长器件的使用寿命。其中,形状记忆材料的设计和开发是关键部分。通常形状记忆材料可以分为合金类和聚合物类。合金类材料通过可逆相变实现形状记忆功能。聚合物类材料通过对高分子链进行修饰,可以实现多个形状的保持。

图3 形状记忆超级电容器

电致变色超级电容器能够在储存能量的同时,根据电极颜色变化反映电压状态,进而反映器件能量变化。常见的电致变色电极材料包括过渡金属氧化物(WO3,V2O5,NiO等),导电聚合物(PANI,PPy等)和金属有机框架。

图4 电致变色超级电容器

光检测器件可以将光信号转变为电信号,在环境监测、可穿戴器件等领域有很大应用潜力。与传统光检测器相比,光检测超级电容器的电极材料可以同时实现储能和光响应,因此,与传统的集成器件相比,光检测超级电容器器件结构更加简化、紧凑,有利于应用于轻、薄、柔电子器件中。

图5 光检测超级电容器

5.小结

本篇文章从材料和器件结构两个方面,不仅总结了近年来智能超级电容器的发展,还讨论了其未来挑战。

  1. 自愈合超级电容器不仅要实现电极和电解质的自愈合,器件结构也应保持完整。一体化结构由于层间的无缝连接,能够减少器件形变下的损伤,保持结构完整性,因此自愈合超级电容器未来应设计更多的一体化结构。
  2. 形状记忆材料的响应速度不够快,而且目前多数为热响应,对器件的电化学性能产生影响。
  3. 电致变色过程往往需要较低的电流密度,限制了器件的功率输出。
  4. 由于光检测超级电容器中的活性材料既作为光检测材料又作为电极材料,因此其光检测效率普遍低于传统的光检测器。

本文以“Smart supercapacitors from materials to devices”为题,在线发表在InfoMat, 2019(DOI: 10.1002/inf2.12037)。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12037

本文由南开大学牛志强研究员团队王瑞同学供稿

6.  团队介绍

牛志强  南开大学化学学院研究员,博士研究生导师

现任南开大学高效储能教育部工程中心副主任,化学学院应用化学与工程研究所所长,先后入选国家青千、国家优青,天津市杰青、国际电化学能源科学院委员会委员、中国电工技术学会超级电容器与储能技术委员会委员,Chinese Chemical Letters和物理化学学报等期刊编委。

课题组网站:http://www.niu.nankai.edu.cn

研究领域

主要从事碳纳米材料及新能源器件的基础与应用研究,研究兴趣主要包括:

1. 新型碳纳米材料及其复合物的可控组装

2. 超级电容器、锂硫电池、锌离子电池等储能器件

3. 柔性,可穿戴等新型储能器件设计组装

代表性论文

近年来,在碳纳米材料的可控组装、功能化及新型储能器件的设计组装方面取得了一系列创新性研究成果,已在Chem. Soc. Rev.Nat. Commun.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.等期刊发表论文90余篇。

  1. Zhang L.; Liu D.; Muhammad Z.; Wan F.; Xie W.; Wang Y.; Song L. *; Niu Z. *; Chen J., Single Nickel Atoms on Nitrogen-Doped Graphene Enabling Enhanced Kinetics of Lithium-Sulfur Batteries. Advanced Materials. 2019, 0, 1903955.
  2. Wan, F.; Zhang, Y.; Zhang, L.; Liu, D.; Wang, C.; Song, L.; Niu, Z.*; Chen, J. Reversible Oxygen Redox Chemistry in Aqueous Zinc-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 7062.
  3. Wan, F.; Niu, Z.* Design Strategies of Vanadium-based Aqueous Zinc-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2019, doi: 10.1002/anie.201903941.
  4. Huang, S.; Wan, F.; Bi, S.; Zhu, J.; Niu, Z.*; Chen, J. A Self-Healing Integrated All-in-One Zinc-Ion Battery. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 4313.
  5. Wan, F.; Zhang, L.; Dai, X.; Wang, X.; Niu, Z.*; Chen, J. Aqueous rechargeable zinc/sodium vanadate batteries with enhanced performance from simultaneous insertion of dual carriers. Nature Communications, 2018, 9, 1656.
  6. Liu, L.; Niu, Z.*; Chen, J.* Unconventional supercapacitors from nanocarbon-based electrode materials to device configurations. Chemical Society Reviews. 2016, 45, 4340.
  7. Cao, J.; Chen, C.; Zhao, Q.; Zhang, N.; Lu, Q.; Wang, X.; Niu, Z.*; Chen, J. A Flexible Nanostructured Paper of a Reduced Graphene Oxide-Sulfur Composite for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with Unconventional Configurations. Advanced Materials. 2016, 28, 9629.
  8. Niu, Z.*; Zhou, W.; Chen, X.; Chen, J.*; Xie, S. Highly Compressible and All-Solid-State Supercapacitors Based on Nanostructured Composite Sponge. Advanced Materials. 2015, 27, 6002.