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石墨烯电极材料和微孔道固态电解质的结合:构筑耐高温柔性储能器件

随着人们对便携式电子设备和混合动力汽车等高端产品需求的日益增长,开发柔性和耐高温的储能元件成为储能领域的研究热点。超级电容器因其低廉的成本、高功率密度和良好的循环稳定性等优势,被视为继锂离子电池之后最具竞争力的化学电源之一。然而,超级电容器的能量密度较低,难以满足电池实际工作要求。为了提高超级电容器能量密度,有效的办法是采用高比电容的金属氧化物作为电极材料和使用宽电位窗口的有机电解质。不过大多数过渡金属氧化物电导率低,在充放电过程中会发生不可逆的体积变化,造成容量的衰减。同时有机电解液在使用中存在着漏液,易燃等缺点,这些问题严重阻碍了超级电容器的实际应用。目前大部分研究工作主要集中在设计新型储能电极材料,对于提高传统电极材料的稳定性以及开发安全的聚合物电解质研究的较少。

为了解决金属氧化物循环稳定差的问题,复旦大学马晓华教授研究团队受自然界冰冻气泡湖现象的启发提出了一种简单易行的合成方法来制备石墨烯包覆纳米粒子复合材料。冰冻气泡湖的形成是由于湖床植物释放的沼气不停地涌向湖面,当气温降到一定程度时,结冰的湖面使得这些气泡形成的空腔得以保留在结冰的湖体之中。此法利用把负载在石墨烯表面的纳米颗粒包埋在气泡当中,并利用液氮速冻技术把纳米粒子表面的气泡瞬间固定于石墨烯水凝胶之中,冻干过程中,冰冻气泡内外压强差产生的作用力驱使石墨烯紧紧包覆在纳米粒子表面上。石墨烯外壳能够有效容纳金属氧化物在循环过程中的体积变化,从而提高超级电容器的循环稳定性。

石墨烯电极材料和微孔道固态电解质的结合:构筑耐高温柔性储能器件

针对有机电解液安全性差的缺点,研究人员将分级多孔碳(HPC)内嵌到聚合物电解质基体中形成贯通的离子传输通道,此法有效缩短了电解质中离子在聚合物内的传输距离,使电解质的电导率得到显著提高,同时减少了有机电解液的挥发并提高了电解质的高温稳定性,克服了一般聚合物电解质(诸如聚乙烯醇)在高温下容易变软发粘甚至渗液的缺点。研究人员把上述材料组装成非对称超级电容器并测试其电化学性能,发现复合电极材料具有很好的循环稳定性和形变柔性、高能量密度以及优异的热稳定性。这项工作为开发高性能柔性耐高温储能器件提供了一条简单易行的新思路。相关论文在线发表在Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/aenm.201600813)上。

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