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不对称超级电容器的设计

为了有效储存可再生能源(风能、水能、太阳能等)产生的电力,在各种储能装置中,电池和超级电容器最具代表性。锂离子电池目前广泛用于消费类电子产品中,但由于阻抗导致电子损失和缓慢的离子传输,在高功率运行时会产生大量热量和形成锂枝晶,这可能会导致严重的安全问题(如特斯拉电动汽车事故)。另一方面,超级电容器也称为电化学电容器,可以在某些应用中补充甚至替代电池,因为它们可以安全地提供高功率和快速充电,具有极长的循环寿命(> 100 000次循环)。因此,在快充、良好的循环稳定性和高功率密度等需求方面获得了极大的关注。
不对称超级电容器的设计 图1. 超级电容器发展的历史时间表。
虽然市售的超级电容器可以提供比传统的固态电解电容器高得多的能量密度(~5Wh/kg),但这仍远低于电池(高达200Wh/Wh)和燃料电池(高达350Wh/kg)。因此,超级电容器的广泛使用受到限制,因此还需要进行大量的研究以实现不牺牲其功率密度和循环稳定性前提下,可媲美电池能量存储能力的超级电容器。
不对称超级电容器的设计图2.超级电容器的分类。
超级电容器试图解决相对低能量密度挑战的一种方法是开发不对称超级电容器。在这种情况下,通常超级电容器可分为三种不同类型,包括电双层电容器(EDLC)、赝电容器和非对称超级电容器。一般来说,非对称超级电容器分为两种类型,即带有两个电容电极或混合电容器的系统。混合电容器已被确定为一个电极存储电荷的装置电池型法拉第过程,而另一个电极基于电容机制存储电荷。在充电和放电过程中,非对称超级电容器可以充分利用两个电极的不同电位窗口,以最大化整个器件的工作电压。能量密度是用于评估超级电容器的电化学性能的关键参数之一,对于相同的电容值,电压增加2倍可导致能量密度增加4倍。因此,适当设计的不对称超级电容器展现了增加能量密度的前景,可以用于需要以高功率存储和输送能量的应用。
不对称超级电容器的设计图3.超级电容器的能量方程,其中C是器件的电容,V是电池的工作电压窗口。
作者认为超级电容器是能量存储系统中的关键元件之一,具有在各种应用中补充或甚至替换电池的潜力。而非对称超级电容器有望在能量存储行业中发挥关键作用,其目标是在不损害超级电容器的高功率密度的情况下提高能量密度,而要想达到这一目标我们还需要做到:
 需要进一步理解电荷存储机制;
 寻找新材料;
 优化电解质;
 除了Li和Na之外,还应大力研究可持续的金属离子电容器;
 先进技术和原位实验对复杂界面过程研究至关重要;
 理论建模和计算模拟可以提高研究效率;
 应关注于设备创新和多功能集成;
 还应注意到超级电容器的自放电;
虽然在过去几年中电化学储能材料的获得了很大进步,但材料和系统的多样性也强调了不对称超级电容器的发展仍处于起步阶段。
Yuanlong Shao, Maher F. El-Kady, Jingyu Sun, Yaogang Li, Qinghong Zhang, Meifang Zhu, Hongzhi Wang, Bruce Dunn, and Richard B. Kaner, Design and Mechanisms of Asymmetric Supercapacitors, Chem. Rev., 2018, DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00252
文章架构
1. Introduction
2. Brief Historic Overview of Supercapacitors
3. Basic Background, Charge Storage Mechanisms, Theory, Key Composition, and Operation of Supercapacitors
3.1. Background for Supercapacitors and Their Differences from Batteries
3.2. Electric Double Layer Capacitors
3.3. Pseudocapacitors
3.4. Capacitive Asymmetric Supercapacitors Vs Hybrid Capacitors
3.5. Electrolytes
3.6. Thermodynamic and Kinetic Considerations for Potential Window of Pseudocapacitive Materials
3.7. Full Cell Voltage
4. Principles and Methods of Experimental Evaluation
4.1. Calculating the Capacitance for a Single Electrode
4.2. Evaluation of the Capacitance and Energy Density of Asymmetric Supercapacitors
4.3. Charge-Balancing Principles between Two Electrodes
4.4. Power Density and Equivalent Series Resistance (ESR)
4.5. Some Concerns Regarding Performance Evaluations
5. Aqueous Electrolyte-Based Asymmetric Supercapacitors
5.1. Aqueous Capacitive Asymmetric Supercapacitors
5.1.1. RuO2-Based Asymmetric Supercapacitors
5.1.2. MnO2-Based Asymmetric Supercapacitors
5.2. Faradaic Materials-Based Aqueous Hybrid Capacitors
5.2.1. Metal Oxide-Based Electrodes for Aqueous Hybrid Capacitors
5.2.2. Metal Hydroxide-Based Electrodes for Aqueous Hybrid Capacitors
5.2.3. Mixed Transition-Metal-Based Electrodes for Aqueous Hybrid Capacitors
5.3. Faradaic Materials/Carbon Composite Electrodes for Aqueous Hybrid Capacitors
5.4. All Redox Electrodes-Based Capacitive Asymmetric Supercapacitors
6. Redox-Active Electrode-Based Nonaqueous Asymmetric Supercapacitors
6.1. Li-Ion Capacitors
6.2. Na-Ion Capacitors
6.3. Intercalation Pseudocapacitive MaterialsBased Electrodes for Nonaqueous Capacitive Asymmetric Supercapacitors
7. Other Asymmetric Supercapacitors
7.1. EDLC-Based Asymmetric Supercapacitors
7.2. Asymmetric Supercapacitors Based on Different Redox Functional Groups
7.3. Surface Charge Optimization
8. Redox-Active Electrolyte-Based Hybrid Capacitors
8.1. Charge-Storage Mechanisms in Hybrid Capacitors Containing Redox Electrolytes
8.1.1. Charge Storage by Sorption and Redox Reactions of Anionic Species on the Electrode Surfaces
8.1.2. Charge Storage Enhanced by Sorption and Redox Reactions of Metal Cations
8.2. Redox Electrolyte-Based Hybrid Capacitors with Two Redox Couples
9. Summary and Perspectives

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参考文献:Chem. Rev.

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