海南大學(xué)陳永：多孔炭對超級電容器電容性能的影響

鋰電聯(lián)盟會長 2023-05-24 11:09

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　　超級電容器具有高功率密度、使用壽命長、適用溫度范圍寬、安全可靠性高等特點，在汽車、軌道交通、電網(wǎng)及電力設(shè)備、儀器儀表和傳感器、數(shù)碼電子、智能家電、電動工具、通訊設(shè)備、工程機械、船舶、航天軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，并高速增長。超級電容器根據(jù)儲能機理不同可分為贗電容器和雙電層電容器。贗電容器主要通過離子在電極材料的表面/近表面發(fā)生非擴(kuò)散控制的法拉第氧化還原反應(yīng)存儲電荷，而雙電層電容器則依靠離子在電極/電解質(zhì)界面上的物理吸/脫附存儲電荷。電極材料是超級電容器最關(guān)鍵的部件之一，其對電容性能具有重要的影響。由于多孔炭材料具有良好的物化穩(wěn)定性、高比表面、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、低成本、環(huán)保、資源豐富等優(yōu)點，是目前商用超級電容器主要電極材料。

海南大學(xué)陳永教授課題組總結(jié)了多孔炭對超級電容器電容性能的影響，在《新型炭材料》上發(fā)表綜述“A review of charge storage in porous carbon-based supercapacitors”。該綜述詳細(xì)地概述了電荷存儲的雙電層理論，包括Helmholtz、Gouy-Chapman和Stern模型；系統(tǒng)地總結(jié)了多孔炭基超級電容器電容性能的影響因素，包括比表面積、孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)狀態(tài)、炭的結(jié)構(gòu)缺陷及雜原子摻雜和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計等。該綜述為多孔炭基超級電容器的設(shè)計奠定了一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)方向。

圖1 多孔炭基超級電容器電容性能的影響因素

高的比表面積有利于多孔炭電容性能的提高，但其比表面積與歸一化電容之間無嚴(yán)格的線性關(guān)系。一般地，當(dāng)多孔炭的孔徑大小與去溶劑化離子(或裸離子)尺寸相匹配時，其比容量最優(yōu)。因微孔可為離子儲存提供豐富的化學(xué)活性位點，介孔可作為離子遷移和傳輸?shù)耐ǖ?，大孔可作為離子緩沖空間，具有合適比例的微/介/大孔的分級多孔炭將具有優(yōu)異的電容性能。精確地分析多孔炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)將為電容炭的開發(fā)和精準(zhǔn)制備提供依據(jù)，通常采用Ar吸/脫附及基于吸附支的QSDFT解析得到比表面積和孔徑分布。而結(jié)構(gòu)缺陷（空位、邊緣）和表面雜原子（O、N、P、S、F、B）的存在或引入會改變炭材料的表面異質(zhì)性，從而改變炭電極的導(dǎo)電性、潤濕性，以及誘導(dǎo)贗電容。此外，合理的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計（如：石墨烯導(dǎo)電劑、多維梯度電極）能有效地提高多孔炭的電容性能。

文章信息?

New Carbon Materials

LUO Xian-you, CHEN Yong, MO Yan. A review of charge storage in porous carbon-based supercapacitors. New Carbon Materials, 2021, 36(1): 49-68.

通訊作者簡介

　　陳永，教授/博導(dǎo)，海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長；海南省硅鋯鈦綜合開發(fā)與利用重點實驗室主任；南海海洋資源利用國家重點實驗室海洋能源利用研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人；海南省高層次“領(lǐng)軍人才”和“南海名家”；曾在日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和美國中佛羅里達(dá)大學(xué)從事鋰離子電池材料研究。目前研究主要集中在新型儲能材料，包括超級電容器和鋰離子電池的研究。在Energy & Environmental Science, Carbon, Energy Storage Materials, Green Chemistry, Journal of Materials Chemistry A，ChemSusChem, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon等期刊發(fā)表SCI論文100余篇。研究成果獲得海南省科學(xué)技術(shù)一等獎和三等獎3項。

　　莫巖，博士，主要研究鋰離子電池、超級電容器等新型儲能材料。發(fā)表論文10余篇，發(fā)表刊物有Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Power Sources等。

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