非对称型超级电容器的研究新进展

绿色化学介质与反应教育部重点实验室非对称型超级电容器的研究新进展绿色化学介质与反应教育部重点实验室1、超级电容器的历史发展历程绿色化学介质与反应教育部重点实验室2.超级电容器的基础知识导电聚合物超级电容器对称型双电层电容器静电作用（helmholtz双电层）储能对称型赝电容器电化学作用储能活性炭碳气凝胶碳纳米管石墨烯金属氧化物非对称型超级电容器电容型非对称电容器双电层电极混合型非对称电容器双电层电容+赝电容绿色化学介质与反应教育部重点实验室典型超级电容器和典型电池的电化学行为对比2.1超级电容器与电池的区别绿色化学介质与反应教育部重点实验室将超级电容器与电池区分开来的主要电化学特征是：超级电容器在恒电流充电时电压总是存在线性增加（或放电时减小），电荷存储（释放）自超级电容器电极。在电势扫描中，超级电容器通常显示出与电势无关的电容。因此，超级电容器的CV曲线应保持矩形，而在充电/放电过程中电流几乎恒定。另一方面，电池显示突出和分离的峰值，具有显着的法拉第反应。电池通常在恒定电压阶段表现出相对平坦的充电/放电平台。绿色化学介质与反应教育部重点实验室2.2双电层电容器与赝电容器赝电容据过程不同可分为三类：低电势沉积电容、氧化还原赝电容及离子嵌入型电容。绿色化学介质与反应教育部重点实验室电池、电容式非对称超级电容器和混合电容器的典型CV和GCD曲线示意图2.3电容式非对称超级电容器与混合电容器绿色化学介质与反应教育部重点实验室由图可知：电池的CV和GCD曲线表现出明显的法拉第峰和充放电平台。相比之下，对于电容式非对称超级电容器，两个电极都显示电容特性，从而产生理想的矩形CV曲线和三角形GCD曲线。基于全电容电极的电容式非对称超级电容器的电化学性能可以根据从ΔQ/ΔU比导出的电容来评估。对于混合电容器，电容式电池和电池型电极都已组合成一个器件，整个器件的CV和GCD曲线可以表现出更多类似电容的行为，与理想的电容特性明显偏离。绿色化学介质与反应教育部重点实验室a）纯石墨烯和石墨烯/MnO2电极的CV曲线；（b）石墨烯//石墨烯/MnO2非对称超级电容器的CV曲线绿色化学介质与反应教育部重点实验室2.4赝电容电极材料电位窗口的热力学与动力学考虑水性电解质中不同赝电容器材料的水和电位窗口的电化学稳定性范围（vsSHE）的示意图绿色化学介质与反应教育部重点实验室赝电容器电位范围可能会随着不同电解质（pH或离子类型）和活性材料结构（晶相或粒径）而变化。由于氧官能团的法拉第反应性，碳超级电容器可能表现出1-5％的电容作为赝电容。而一些活性材料甚至可以更高，这取决于它们的氧官能团含量。赝电容器总是表现出一些EDLC成分，通常约为5-10％，与其电化学可接触的界面面积成比例。因此，超级电容器材料的实际电容应该是赝电容和双电层电容贡献的总和。绿色化学介质与反应教育部重点实验室超级电容器的最大电位窗口总是低于预期电压窗口。原因如下：一是由于电解质和活性材料中的杂质引起的寄生氧化还原反应。二是由于正负极上电荷分布不均衡，在超级电容器的操作期间，必须平衡正电极和负电极之间的电荷（Q）。因此，如果一个电极的容量低于对电极的容量，则通过在该电极表面输入电化学电荷的方式，以平衡两个电极之间的电荷。绿色化学介质与反应教育部重点实验室通过输入电荷平衡两极表面的电荷密度，随之初始电位E0改变，电化学窗口得到了提高。E0对超级电容器的库仑效率和最大充电电压具有显着影响。绿色化学介质与反应教育部重点实验室3.实验评估的原理与方法3.1单电极的电容计算对于单个电极，电容是关键参数，其反映了存储在给定电压下的电荷，更具体地说，总电荷存储能力。其次是电极的循环稳定性。3.2非对称超级电容器的电容和能量密度对于完整器件，还可以根据CV，GCD和EIS测量来预估关键参数，例如电容，ESR，工作电压以及随后的时间常数，能量密度和功率密度等。绿色化学介质与反应教育部重点实验室4.非对称超级电容器举例1、RuO2基非对称超级电容器LSG/RuO2//活性炭非对称超级电容器绿色化学介质与反应教育部重点实验室2、MnO2基非对称超级电容器石墨烯水凝胶//MnO2Ni泡沫非对称超级电容器绿色化学介质与反应教育部重点实验室3、柔性非对称超级电容器石墨烯/MnO2自支撑薄膜作为正极，石墨烯/Ag多孔膜作为负极绿色化学介质与反应教育部重点实验室5、基于双电层电容的非对称超级电容器用EMI-TFSI和EMI-BF4（20%）的混合物组装的电容器绿色化学介质与反应教育部重点实验室6、氧化还原活性电解质基混合电容器电荷存储示意图及候选氧化还原电对的氧化还原电位CV曲线和相同系统的GCD曲线绿色化学介质与反应教育部重点实验室7、双氧化还原活性电解质基混合电容器具有两种氧化还原活性物质的离子液体电解质，当用于非对称超级电容器时能够显著改善电荷存储，提高电容。绿色化学介质与反应教育部重点实验室非对称超级电容器的未来发展目标是在不损害高功率密度的情况下提高能量密度。不同法拉第电容材料的组合应该是一种可行的方法，但仍需要更深入地了解其协同相互作用以确保优化的电容性能。一些未来的研究发展方向：•进一步研究和理解电荷存储机制（双电层电容和赝电容）；•寻找新材料，开发具有更强电化学性能的先进非对称超级电容器；•非对称超级电容器中电解质性能的优化；•利用先进技术（如SANS、SAXS等）和原位实验（如原位X射线衍射等）研究双电层电容和赝电容的复杂界面过程；•理论建模和计算模拟研究活性材料结构、离子润湿性能和运输动力学；•超级电容器器件的创新以及多功能集成；•超级电容器的自放电现象。1、YuanlongShao,MaherF.El-Kady,JingyuSun,YaogangLi,QinghongZhang,MeifangZhu,HongzhiWang,BruceDunn,andRichardB.Kaner,DesignandMechanismsofAsymmetricSupercapacitors,Chem.Rev.2018,18,9233-9280绿色化学介质与反应教育部重点实验室谢谢！·