Advanced Functional Mateerials:宽电压水系非对称超级电容器的研究进展、策略和挑战

随着科学技术的快速发展,能源利用正经历着以电力为主要能源的快速而大的转变。移动电子、电动汽车和物联网对便携式电源的需求日益增长,推动了高效电化学储能器件(EES)的研究。从根本上说,所有的EES器件都要经历离子在两个电极之间的储存和传输,以及在外部电路中形成电子流。因此,电极必须有效地将充足的离子转移到电极中,并将大量的电子转移到外电路中。理论上,一个理想的EES器件应该具备存储大量能量(即高能量密度),并且可以在很短的时间内完成充电和放电(即高功率密度)的优点。

超级电容器,又称电化学电容器,与燃料电池和电池相比,具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点,受到学术界和工业界的广泛关注。尽管商业化超级电容器可以获得比传统介质电容器高得多的比能量(~5 Wh kg-1),但仍然比燃料电池和电池低得多。因此,超级电容器的广泛应用受到了严重的限制。如何在不降低其优异的功率密度和循环寿命的前提下提高能量密度,使其接近甚至超越电池的研究正在不断进行。基于有机电解液和离子液体电解液的超级电容器器件的比电容值通常低于200 F g-1,并且显示出相对低的功率密度。由于这些电解液具有高挥发性、易燃性和毒性,制备的超级电容器通常也受到低安全性和高成本的限制。此外,为了保证有机电解液超级电容器的正常工作,需要复杂而严格的组装环境,需要严格控制环境中水分杂质和氧气的含量。相比之下,水系电解液由于其成本低、离子导电率高、资源丰富、环境友好等优点,引起了人们更多的研究兴趣。由于水系电解液的离子尺寸较小,离子电导率高,水系超级电容器可以获得较高的电容量和功率密度。更重要的是,水系超级电容器的组装无需昂贵的严苛环境。在这种背景下,宽电压水系非对称超级电容器技术为需要大功率储存和输送能量的广泛应用提供了机遇,代表了当前清洁能源未来的发展趋势。

基于此,江西师范大学、南昌大学陈义旺教授、袁凯教授系统总结了宽电压水系非对称超级电容器的研究进展、策略和挑。首先,作者简要介绍了宽电压水系非对称超级电容器的发展历史、电荷储存机理和匹配原则;总结了近几十年来用于构建宽电压水系非对称超级电容器的正、负极材料;其次,介绍了与宽电压水系非对称超级电容器相关的水系电解液及其优化策略;再次,对宽电压水系非对称超级电容器的基本器件结构进行了分类和讨论;在此基础上,总结了在电压窗口、比电容、倍率性能和电化学稳定性等方面实现高性能宽电压水系非对称超级电容器的基本策略。最后,为了促进进一步的研究和发展,简要讨论了目前超级电容器面临的关键科学问题和技术难题:(1)更深入地理解电荷储存机制;(2)开发新型的电极材料;(3)提高电极的质量负载;(4)优化电解液;(5)与集流体的匹配性;(6)先进的材料表征技术和理论模拟;(7)器件结构的创新与功能性集成;(8)评价性能的标准方法。

TOC: 宽电压水系非对称超级电容器的研究进展、策略和挑战。

宽电压水系非对称超级电容器是一项新兴的环保储能技术,有望成为商用超级电容器和锂离子电池的绿色替代储能器件。此外,从实验室研究到工业生产,宽电压水系非对称超级电容器具有高能量密度的优点,同时保持了传统超级电容器的固有优势和简单、绿色、廉价的制造环境,具有很好的应用前景。期望在今后宽电压水系非对称超级电容器方面的努力能够实现将其能量密度提高到接近薄膜电池的水平,并作为一种有竞争力的电源或与电池互补的替代品应用于消费电子、电动汽车以及其他便携式电子产品中。

作者简介

黄俊博士:南昌大学化学学院博士研究生。2018年于南昌大学化学学院获得理学硕士学位,同年继续攻读博士学位,导师为陈义旺教授。主要从事纳米复合材料的设计合成及其在超级电容器、微型超级电容器和混合离子电容器中的应用。目前在ACS Nano; Adv. Funct. Mater.; Adv. Sci.; J. Mater. Chem. A; Carbon等国际知名期刊发表学术论文20余篇。

袁凯教授:南昌大学教授,博士生导师,德国伍珀塔尔大学和南昌大学双博士学位。主要从事纳米能源材料的设计合成及其在能量转换与存储系统中的应用研究,如超级电容器、金属-空气电池和燃料电池等。在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Energy Environ. Sci.等国际知名期刊发表学术论文50余篇。主持国家自然科学基金,江西省杰出青年科学基金等项目,获博士后创新人才支持计划和青年井冈学者奖励计划。

陈义旺教授:南昌大学/江西师范大学教授,博士生导师,江西师范大学副校长,国家杰出青年科学基金获得者(2014),入选国家“万人计划”科技创新领军人才(2016),国家百千万人才工程(2017),国家中青年科技创新领军人才(2014),教育部新世纪优秀人才计划(2006),德国洪堡奖学者(1999),享受国务院特殊津贴(2007)。主持和完成国家自然科学基金重点项目/杰出青年基金项目等项目。主要从事高耐磨有机硅弹性体、柔性太阳能电池设计与印刷加工、有机热电纤维以及超级电容器等可穿戴高分子能源体系纳米复合方面研究。以第一作者或通讯作者在Nature Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Energy Environ. Sci.等国际期刊发表学术论文400多篇;获授权发明专利30余项,获中国高校自然科学二等奖2项。

论文信息:

Wide Voltage Aqueous Asymmetric Supercapacitors: Advances, Strategies, and Challenges

Jun Huang, Kai Yuan*, Yiwang Chen*

Advanced Functional Mateerials

DOI: 10.1002/adfm.202108107

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108107