CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势

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    随着化石能源的日益短缺以及环境污染的日趋严重,开发高效、清洁的储能器件迫在眉睫。作为研究热点的储能器件之一,超级电容器具有高功率密度、长循环寿命,绿色环保等优点。然而,其能量密度却远远逊色于锂离子电池,这极大地限制了其商业化应用。特别对于安全无毒的水系超级电容器,其能量密度主要受到狭窄的水溶剂稳定电压窗口(1.23V)的限制。相比于容量(C),提升水系超级电容器的工作电压窗口(V)能够更加高效地提升其能量密度(E=1/2CV2)。因此,探究拓宽水系超级电容器电压窗口的方法及策略,对于发展高能量密度、高安全性、低成本和长循环寿命的水系超级电容器具有重要的研究意义。同时,随着电子产品设计的不断革新,大众对便携、可折叠电子设备日渐青睐,这意味着下一代储能器件须在满足优异电化学性能的同时,还需具备良好的柔性。而石墨烯基自支撑膜,不仅具有优异的导电性和电化学稳定性,且柔性可自支撑。因此,开发基于石墨烯基自支撑膜的电极在柔性高效的储能器件方面具有很大的应用潜力。

    基于上述背景,重庆大学新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室(CQU-NUS Renewable Energy Materials & Devices Joint Laboratory,以下简称联合实验室)开展了一系列工作。近期,在联合实验室李猛副教授、孙宽研究员和新加坡国立大学材料学院Junmin Xue教授的共同指导下,储能小组系统梳理了近年来水系超级电容器电压窗口拓宽及柔性储能电极以的发展脉络及研究趋势,为该方向的进一步研究提供了可借鉴的学术素材,同时也指出了该领域的未来趋势与优化策略。CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势

    其中,联合实验室博士研究生苟倩志(第一作者)和硕士研究生赵泷(共同第一作者)在国际期刊Nano-Micro LettersIF:9.043上发表了题为“The recent advances on boosting the cell voltage of aqueous supercapacitor”的综述论文(DOI: 10.1007/s40820-020-00430-4)。该综述从电极材料改性、电解液优化以及构建不对称器件等方面,阐述了近年来提升水系超级电容器电压窗口的具体措施及相关机理。其中,电极材料方面的改进措施主要包含引入碱金属阳离子、调节电极质量比和优化表面电荷密度等。然而,电解液优化方面的方法则包含调节合适pH值、引入氧化还原介质以及构建“盐包水”电解液等。此外,设计不对称水系超级电容器也是提升器件电压窗口的重要措施。在文章中,课题组对上述措施的相关机理及典型案例进行了详细介绍,并对其的优缺点进行了分析。最后,作者对未来高压水系超级电容器的发展方向与前景进行了展望,并提出以下研究方向:(1)增加掺杂粒子的类型;(2)简化改进措施的工作流程;(3)消除自放电行为的不利影响;(4)优化“盐包水”电解液的特性;(5)将电极优化和电解液优化结合起来;(6)提高电极材料的循环稳定性CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势

    同时,硕士研究生赵泷(第一作者)在期刊 Materials Today Advances 发表了题为“Graphene-based free-standing bendable films: designs, fabrications, and applications”的综述论文(DOI: 10.1016/j.mtadv.2020.100060)。在这篇综述中,详细介绍了合成石墨烯基自支撑膜的五种典型策略, 包括真空抽滤法、层层自组装法、真空抽滤辅助自组装法、机械压缩法以及溶剂蒸发法,并对五种方法合成的石墨烯基自支撑膜进行了结构和性能的对比。在此基础上,作者重点介绍了石墨烯基自支撑膜应用于储能锂离子电池超级电容器)以及环境保护污水处理以及海水淡化电磁屏蔽电化学传感器)两大领域的研究进展,并讨论了针对两大不同应用领域,石墨烯自支撑膜的结构设计和性能需求。该综述不仅为设计和合成柔性可折叠的石墨烯基自支撑膜提供了参考,并且为未来发展高效的柔性储能器件以及用于环境保护的器件提供了指导。

Qianzhi Gou, Shuang Zhao, Jiacheng Wang, Meng Li*, Junmin Xue, The recent advances on boosting the cell voltage of aqueous supercapacitors, Nano-Micro Letters, 2020, 12, 98.

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-00430-4

Shuang Zhao, Meng Li*, et al. Graphene-based free-standing bendable films: designs, fabrications, and applications, Materials Today Advances, 2020, 6, 100060.

https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100060

作者介绍

CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势苟倩志,重庆大学能源与动力工程学院在读博士研究生。2019年7月获广西大学硕士学位,同年9月进入CQU-NUS联合实验室学习,导师为李猛副教授。主要研究方向为高性能水系超级电容器和二次电池的应用。目前,以第一作者在Nano-Micro Letters, Electrochimica Acta, Energy Technology等期刊发表多篇论文。

CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势赵泷,重庆大学能源与动力工程学院在读硕士研究生。2019年获重庆大学能源与动力工程学院学士学位,随后进入CQU-NUS联合实验室学习,导师为李猛副教授。主要研究高性能水系超级电容器的开发与应用。

通讯作者

CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势李猛,副教授,博士生导师,重庆市高层次人才。2015年博士毕业于新加坡国立大学材料科学与工程学院,2016年加入重庆大学能源与动力工程学院,主要从事纳米仿生能源材料的能量存储与转换方面的研究与教学工作。目前,在Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A,Carbon等国际知名期刊上共发表SCI论文50余篇,论文被引1000余次,主持国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金项目及重庆大学人才引进启动经费等科研项目。

CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室:水系超级电容器电压窗口拓宽和柔性碳基储能器件的研究策略及发展趋势孙宽,研究员,博士生导师,重庆大学能源与动力工程学院副院长,低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室副主任,重庆市“百人计划”特聘专家。长期从事可再生能源高效利用原理及技术的研究,在Nature Communications, Science Advances, Joule, iScience, Nano Energy, Angewandte Chemie等期刊上累计发表SCI论文70余篇,被引用4000余次。获重庆产学研科技成果创新奖一等奖、重庆市自然科学奖二等奖等奖项。主持国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金项目及重庆大学人才引进启动经费等科研项目。

更多信息请访问“重庆大学柔性可再生能源材料与器件课题组”网站:https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

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参考文献: