超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能

【研究背景】

    当今社会,新能源需求的快速增长促进了能源存储和转换器件快速发展。实现由风能、太阳能、热能、机械能等向便携式电子和传感设备储能转换,被认为是实现自供电系统非常有潜力的途径之一。“摩擦生电”一词大家并不陌生,但是通常以贬义存在。王中林院士及其团队发明的纳米发电机(TENG),成功的将机械能转化为电能。旋转纳米摩擦发电机(R-TENG)是纳米发电机的一种,其原理是利用两材料间的摩擦效应和接触/分离起电。它因具有输出功率高,制作成本低,环境友好等优点,引起越来越多人的广泛关注。然而,由于纳米摩擦发电机频率在~0.1- 1000hz范围内时输出电流较小且脉冲较大的局限性,因此寻求具有低自放电率、高倍率性能特点的存储器件来储存发电机自身产生的能量具有非常重大的意义。

【工作介绍】

    近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所卢宪茂研究员和蒲雄研究员课题组等人利用简单、易操作的方法合成并表征了一种嵌入到介孔碳(MC)中的层状钛酸锂纳米颗粒n-LTO@MC),将其作为负极合成组装成超快速的锂离子电容器并成功实现与纳米摩擦发电机相结合。该复合材料形貌规则,为直径~80nm 纳米颗粒;拥有较大的比表面积,存在广泛的微孔和介孔分布,提供了复杂的离子传输通道和快速的电解液传输路径。其作为负极与商用活性炭组装成锂离子电容器(AC//n-LTO@MC LICs)后,高倍率下表现出非常优异的电化学性能。更重要的是,当使用旋转纳米摩擦发电机(R-TENG)给AC//n-LTO@MC LICs充电时,实现充电时间更短,放电容量更高。同等条件下,其性能与使用商用LTO以及自合成无介孔碳LTO纳米颗粒相比,效率得到了非常大的提高。该研究成果以”Ultrafast lithium-ion capacitors for efficient storage of energy generated by triboelectric nanogenerators“发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials杂志上。论文的第一作者是北京纳米能源与系统研究所博士研究生梁晓嫱,通讯作者是王中林院士、卢宪茂研究员和蒲雄研究员。

【内容表述】

1 材料合成与结构

     钛酸锂(Li4Ti5O12)作为一种常见的电极材料具有安全性好,循环性能高,可实现快速充放电,工作范围宽和自放电小等优点。但由于自身导电性差限制其在电化学方面的应用。该作者通过简单的高压反应釜加热手段合成了尺寸分布均匀的钛酸锂和介孔碳复合材料。

超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能 图1. n-LTO@MC复合材料合成过程。

超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能图2. 介孔碳(MC)和n-LTO@MC复合材料SEM和TEM图像。

2 电化学性能测试

    与AC//c-LTO, AC//n-LTO相比,AC//n-LTO@MC 电容器表现出优异的电化学性能。该电容器不仅超高倍率下实现快速充放电,而且超高倍率下保持较高的容量保持率。在50 ,100,500和1000C时,电容器的放电比容量分别为163,155,108和79mAh/g。100C和1000C 大电流循环1000圈时,容量保持率分别为96%和90%。值得一提的是,1000C时,该电容器在1.7s 内传递了79mAh/g 的可逆容量。与近几年内LTO或含LTO的复合材料为电极材料的电容器相比,该电容器的倍率性能是十分突出的。

超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能图3. (a-b)AC//c-LTO, AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC 不对称电容器的倍率性能。(c) 在100C 和1000C 条件下,AC//n-LTO@MC 电容器循环1000圈时电容保持率。(d)AC//n-LTO@MC 电容器电化学性能与近期文献中一些电容器对比。

3 应用

超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能图4.(a-b)R-TENG和LICs连接线路及结构示意图。(c-d)R-TENG连接一个电流转换器(220/6)后,300r下开路电压(Uoc)和短路电流(Isc)。

超快速锂离子电容器首次应用于纳米发电机储能图5. AC//c-LTO, AC//n-LTO, and AC//n-LTO@MC的充电时间和电容变化。(a-c)R-TENG使用相同转速(300 rpm)时,三种电容器的充电时间和不同倍率下的放电电容(50,100,150和200C)。(d-f)R-TENG使用不同转速(300,350,400,450和500rpm)时,三种电容器的对应的充电时间和相同倍率下的放电电容(50C)。

  由图5结果知,用R-TENG给三种LICs 充电时,AC//n-LTO@MC表现相对优异的存储性能。同一转速下,给三种电容器充电时,AC//n-LTO@MC在最短时间(76s)内,在不同倍率下均释放出最高的电容量。在50,100,150和200 C时,放电比容量分别为155, 137, 134和128mAh/g。不同转速,同一放电倍率下放电时,AC//n-LTO@MC的放电比容量最高。

【结论】

    综上所述,该文章作者利用简单,易操作的实验手段成功合成出尺寸均一的n-LTO@MC纳米颗粒,并组装成超快速的锂离子电容器。在100C 和1000C 大电流条件下,155和79mA/g的可逆电容,1000次循环后仍有96% 和90%的电容保持率。更重要的时,使用纳米摩擦发电机对其充电时,实现了短时间内高效、快速充电并能保持较高容量值。该研究表明超快速锂离子电容器与纳米发电机结合有望成为新一代的自储能器件。

Xiaoqiang Liang, Ruijie Qi,Man Zhao, Zailei Zhang,Mingyang Liu,Xiong Pu,Zhong Lin Wang,and Xianmao Lu, Ultrafast lithium-ion capacitors for efficient storage of energy generated by triboelectric nanogenerators, Energy Storage Materials, 2019, DOI:10.1016/j.ensm.2019.08.002

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参考文献:Energy Storage Materials