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柔性储能设备设计综述-超级电容篇

2017-01-06 09:48来源:新能源Leader作者:凭栏眺关键词:超级电容器柔性超级电容器电极材料收藏点赞

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基于碳材料的超级电容器一般具有超高的比功率,但是比容量较低,这主要是受双电层电容容量较低的影响。为了进一步提升超级电容器的容量,需要采用赝电容,具有赝电容的活性物质比电容要比碳材料高300-1200F/g。目前的主要研究方向是使用碳材料与赝电容材料如MnO2,RuO2和PANI材料混合使用,结合碳材料良好的导电性和赝电容材料的高比电容,提高超级电容的比能量。

在常见赝电容材料中,MnO2因为高的理论比电容(1400F/g),成本低,自然资源丰富,十分适合作为超级电容器的电极活性物质,并在近年来成为了超级电容器的研究热点,MnO2存在的主要问题是电导率低,为了提升MnO2超级电容器的能量密度和功率密度,需要采用MnO2/碳复合材料(如碳纳米颗粒,碳纳米管等),一般是采用将MnO2涂布到碳材料的表面的方法,提升材料的导电性,例如以MnO2/CNT复合材料为电极,制备的超级电容器能量密度可以达到20Wh/kg,并具有良好的循环性能。最近Lu等人开发了一款具有核壳结构的WO3-x@Au@MnO2纳米线材料,该材料以碳纺织品为基体,具有十分优异的电化学性能,在23.6KW/kg的功率密度下,比能量可以达到106.4Wh/kg,在30.6KW/kg的功率密度下,比能量可以达到78.1Wh/kg,并且该超级电容具有良好的可折叠特性,折叠和扭曲对其性能没有明显的影响。

近年来发展起来的导电高分子聚合物也可以用于柔性超级电容器的设计,通过与Au,TiO2等材料复合,可以用于超薄柔性超级电容器的设计。层状双氢氧化合物由于良好的氧化还原活性,低成本和环境友好等特性,十分适合作为超级电容器的活性物质,例如以CoAl-LDH纳米片为支撑结构,以PEDOT为活性物质制备的超级电容器,比电容高达649F/g,在40A/g的电流密度下,比能量可以达到39.4Wh/kg。

混合式超级电容器

从上面的介绍可以看到,虽然科学家们已经作出了巨大的努力,但是纯电容的比能量是十分有限的,难以和锂离子电池相比,因此这也极大的限制了超级电容器的应用。在大多数应用场景下,高功率充放电往往是以脉冲模式进行的,不会以大电流持续长时间工作,结合这一特点,科学家们开发了一中混合式的超级电容器,该电容器具有非对称的电极设计,在这种混合式电容中,电极的一侧具有锂离子电池结构,能为混合型电容提供较高容量。电极的另一侧则是电容结构,能够为超级电容提供超高功率放电,该电容器最大的优点是将锂离子电池高容量和超级电容的快速充放电的特性结合在一起,在大电流快速放电时,主要由超级电容器的一侧供电,在放电结束的时候,锂离子电池的一层电极能够为超级电容器一侧的电极充电,这种不对称电极结构的设计,很好的结合了超级电容器和锂离子电池的优点,为高比能型超级电容器开发,提供了新的思路。

超级电容器和锂离子电池的发展,可以说是相辅相成,小编认为未来的发展中,锂离子电池既不会被超级电容器所取代,也不会取代超级电容器,更有可能的发展模式是锂离子电池和超级电容器相辅相成,结合各自的优点,更好的为人类服务。例如,在电动汽车中,超级电容器用来收集在汽车刹车过程中产生的电能,然后转存到锂离子电池中。在启动的过程中,首先由锂离子电池为超级电容器充电,然后超级电容器再为电动机提供高功率供电,保证在汽车启动过程中具有良好的加速性。

延伸阅读:

柔性储能设备设计综述:锂离子电池篇

原标题:柔性储能设备设计综述-超级电容篇
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