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新型“双高”混合型电化学储能器件问世

来源:中国科学报 卜叶  发表时间:2021-4-12 10:55:59   浏览:

  锂离子电池和超级电容器是常用的电化学储能器件。传统锂离子电池受限于迟缓的体相反应,功率性能较差;超级电容器利用快速表面过程存储电荷,能量密度较低,这两个“种子选手”并不适用于对能量和功率密度都有较高要求的应用场景。

  近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员吴忠帅团队在混合型电化学储能器件研制方面取得新进展,构建出具有与锂离子电池类似的摇椅式工作机理的电池—超级电容器混合储能器件,并通过电极容量和动力学“双匹配”策略,实现了器件的能量和功率密度“双高”。相关研究结果发表于《能源与环境科学》。

  “将电池电极和超级电容器电极集成在一个器件内,结合两种储能机理的优点,获得能量和功率密度‘双高’的电池—超级电容器混合储能器件并不是一个全新的想法。事实上,不少国际团队正在为之努力。” 吴忠帅说。

  以往,研究人员主要使用电池型负极和双电层电容型正极,但基于此构建的器件构型充放电过程所需的离子由电解液提供,导致电解液用量大。此外,电池—超级电容器混合储能器件的性能还受到电池型电极和电容型电极之间极不匹配的电荷存储容量和电极动力学因素的严重制约。

  该研究中,团队选取具有本征锂离子插层赝电容性质的正交五氧化二铌为负极,镍钴铝三元氧化物锂离子电池材料为正极,让锂离子在正负极之间来回穿梭,构建了摇椅式锂离子电池—超级电容器混合储能器件。该器件中,正负极皆拥有来自氧化还原反应的高容量。此外,负极的多孔纳米花结构可以促进电解液的浸润和传输,提升电极倍率性能。但纳米结构应用于高压正极可能会带来非活性表面重构以及不稳定的电极/电解液界面等问题,为此研究团队构筑了一个由一维碳纳米管、二维电化学剥离石墨烯以及导电聚合物黏结剂构成的三维导电网络,可以协同降低充放电过程中的内阻和极化,最终使正负极具有高度匹配的容量和倍率性能。

  据介绍,该储能器件的性能优于以往报道的具有摇椅式构型的锂离子电池—超级电容器混合储能器件,同时也优于电极容量或动力学不匹配的其他混合储能器件,为“双高”混合储能器件的构型设计和电极优化策略提供了新思路。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1039/D1EE00317H

  (原载于《中国科学报》 2021-04-12 第3版)
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