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混合型超級電容器的研究進展

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國新能源網 發布時間:2016-06-03 瀏覽:
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劉海晶,夏永姚

(復旦大學化學系上海市分子催化與先進材料重點實驗室新能源研究院 上海 200433)

摘要:與傳統的二次電池相比,超級電容器具有長壽命、高功率密度的特點,但是能量密度較低。本文主要介紹了混合超級電容器的發展狀況以及電極材料的最新研究進展。目前有許多研究工作者都致力于改善超級電容器體系的能量密度,一個有效的途徑是提高電容器電極材料的比電容,另一個途徑則應用不對稱混合型超級電容器體系,即一個電極采用電極活性炭電極,而另一個電極采用贗電容電極材料或電池電極材料,通過提高電容器的工作電壓,從而提高電容器的能量密度。針對提高混合型超級電容器能量密度的工作主要集中在采用具有氧化還原活性的材料與活性炭組成不對稱超級電容器,比如:活性炭/NiOOH(FeOOH),活性炭/石墨,活性炭/金屬氧化物以及活性炭/聚合物等混合超級電容器。近年來,鋰離子嵌入化合物以及鋰離子電池碳材料作為混合超級電容器的正極材料得到了廣泛的關注。同時,介紹了針對由水系鋰離子電池電極材料作為正極,活性炭作為負極組成的混合型超級電容器開展的研究工作,其正極材料包括LiMn2O4,LiCoO2,LiTi2(PO4)3以及LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等。以上混合型超級電容器相比于活性炭/活性炭雙電層電容器,均在能量密度的提高以及工作電壓的提高上得到了較大的進展。最后本文還對近幾年比較熱門的幾種混合型電化學電容器和相關材料的未來發展趨勢作了簡單介紹。

1引言

超級電容器的發展始于20世紀60年代,在20世紀90年代由于混合電動汽車的興起,超級電容器受到了廣泛的關注并開始迅速發展起來[1—6]。超級電容器是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置[7—11],其容量可達幾百至上千法拉。與傳統電容器相比,它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命,傳統電容器以μF(微法)標稱電容量,超級電容器靜電容量可達到10萬F以上;而與蓄電池相比,它又具有較高的功率密度和更好的循環壽命,且對環境無污染(見表1)。因此,它結合了傳統電容器與電池的優點,是一種應用前景廣闊的化學電源,屬于新興的功率補償和儲能裝置范疇。近幾年來,超級電容器技術的發展引起了人們的廣泛關注,并成功應用在消費電子類產品、能源交通(電動汽車、太陽能風能儲能)、功率補償等領域,其市場規模正在快速擴大。

2、電化學超級電容器簡介

2.1超級電容器工作原理及分類

超級電容器作為功率補償和能量存儲裝置,其儲存電量的多少表現為電容F的大小。根據電能的儲存與轉化機理,超級電容器分為雙電層電容器(electric double layer capacitors,EDLC)和法拉第準電容器(又叫贗電容器,pseudo-capacitors),其中法拉第準電容器又包括金屬氧化物電容器和導電高分子電容器。最近又出現了一種正負極分別采用電池材料和活性炭材料的混合超級電容器。

2.1.1雙電層電容器

雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。是以雙電層-雙電層(electric double layer)為主要機制,即在充電時,正極和負極的炭材料表面分別吸附相反電荷的離子,電荷保持在炭電極材料與液體電解質的界面雙電層中。這種電容器的儲能是通過使電解質溶液進行電化學極化來實現的,并沒有產生電化學反應,這種儲能過程是可逆的。雙電層電容器主要是由具有高比表面積的電極材料組成,目前主要研究開發了采用碳電極的電化學雙電層電容器。該碳電極主要是由高比表面積的活性炭顆粒制得,以硫酸或到導電型的固體電解質作為電解液,在其使用電位范圍內,充電時可得到很大的界面雙電層電容。

2.1.2法拉第準電容器

法拉第準電容是以準電容-準電容(pseudo-capacitance)為主要機制,在電極表面或體相中的二維或準二維空間上,正極和負極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應為基礎或以有機半導體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎,產生與電極充電電位有關的電容[12,13]。在相同的電極面積的情況下,容量是雙電層電容的10—100倍。

2.1.3混合型超級電容器

超級電容器又可分為對稱型和非對稱型,其中正負極材料的電化學儲能機理相同或相近的為對稱型超級電容器,如碳/碳雙電層電容器和RuO2/RuO2電容器。為了進一步提高超級電容器的能量密度,近年來開發出了一種新型的電容器——混合型超級電容器。在混合型超級電容器中,一極采用傳統的電池電極并通過電化學反應來儲存和轉化能量,另一極則通過雙電層來儲存能量。電池電極具有高的能量密度,同時兩者結合起來會產生更高的工作電壓,因此混合型超級電容器的能量密度遠大于雙電層電容器。目前,混合型超級電容器是電容器研究的熱點。在超級電容器的充放電過程中正負極的儲能機理不同,因此其具有雙電層電容器和電池的雙重特征。混合型超級電容器的充放電速度、功率密度、內阻、循環壽命等性能主要由電池電極決定,同時充放電過程中其電解液體積和電解質濃度會發生改變。

2.2超級電容器的特點

超級電容器是介于傳統物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件,其巨大的優越性表現為:

(1)功率密度高。超級電容器的內阻很小,而且在電極/溶液界面和電極材料本體內均能實現電荷的快速儲存和釋放。

(2)充放電循環壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發生電化學反應,其循環壽命可達萬次以上。

(3)充電時間短。完全充電只需數分鐘。

(4)實現高比功率和高比能量輸出。

(5)環境溫度對正常使用影響不大。超級電容器正常工作溫度范圍在-35—75℃。

3混合型超級電容器的研究進展

雖然雙電層電容器和法拉第準電容器的能量密度遠遠大于傳統的物理電容器,但是其能量密度和電池如鋰離子電池、鎳氫電池等相比還是很低的。

產生這一現象的主要原因是:無論是雙電層電容還是法拉第準電容,其儲能過程都僅發生在電極材料的表面或近表面;相對于此,電池材料則是通過體相的氧化還原過程來儲存能量的。為了近一步提高超級電容器的能量密度,人們發明了混合體系,并且這種混合體系近幾年逐漸成為研究熱點[14—26]。

混合型電化學超級電容器是近年來被關注的儲能元件,它具有比常規電容器能量密度大、比二次電池功率密度高的優點(如圖1)[2],而且可快速充放電,使用壽命長,是一種高效、實用的能量存儲裝置,因而有著廣泛的應用前景,如便攜式儀器設備、數據記憶存儲系統、電動汽車電源及應急后備電源等,特別是在電動汽車上,超級電容器與電池聯合,分別提供高功率和高能量,既減小了電源體積,又延長了電池的壽命。目前,世界各國紛紛制定近期的目標和發展計劃,將其列為重點研究對象。俄羅斯、美國和日本等發達國家都為混合型超級電容器的研制開發投入了大量資金。在中國混合電容器也正在迅速發展,并展現出一定的市場前景。目前,上海奧威、哈爾濱巨容等電容器公司已經開始批量生產由EMSA公司研制的AC/NiOOH混合型超級電容器,并將其應用到電動公交車或太陽能電池領域。為了同時獲得較高的能量密度和功率密度,人們開始設計新型的非對稱型電化學超級電容器,即電容器的一極是雙電層電極,另一極為法拉第準電容電極。非對稱型電化學超級電容器綜合了兩類電化學電容器的優點,可更好地滿足實際應用中負載對電源系統的能量密度和功率密度的整體要求。另外,人們開始嘗試用二次電池的電極材料取代傳統電化學電容器的一極,制成電池型電容器,適宜在短時間大電流放電的情況下工作,可作為電動車輛的啟動、制動電源。

電容器電容值的高低與電極材料的比表面積有密切的關系,制備具有高比表面積的納米級微孔材料成為一種改善電極材料電容性能的新思路。目前的研究熱點非對稱型超級電容器體系與雙電層電容器體系的性能比較如表2所示。以下簡單介紹幾種不同類型的混合型超級電容器。

3.1活性炭/NiOOH(FeOOH)混合電化學超級電容器

Varakin等用碳材料作負極,用NiOOH作正極組裝的碳鎳混合超級電容器,其能量密度達到7.95Wh/kg[29];國內也有人對此進行了一定的研究,劉志祥等用活性炭作負極,用α-Ni(OH)2作正極的碳鎳混合超級電容器,其雙電極比容量可達到90.7F/g,其能量密度達到5.12Wh/kg[30]。1997俄羅斯的EMSA公司年推出牽引型AC/NiOOH超級電容器,其比能量達12Wh/kg,比功率為400W/kg;啟動型C/NiOOH超級電容器目前能做到比能量3Wh/kg,比功率1000W/kg,水系AC/Ni(OH)2已經實現了商品化。本課題組采用化學沉積的方法將Ni(OH)2納米顆粒沉積在碳納米管的表面,采用Ni(OH)2含量為70%的復合材料為正極,活性炭為負極,組成混合超級電容器,在功率密度為1500W時,可保持能量密度32Wh/g,經過2000周循環后仍可維持90%以上的容量[31]。目前這類混合型超級電容器已被成功應用于電動汽車的動力系統。例如,由上海的奧威公司研制的超級電容器公交車已經成功在上海運行。該電容公交車完全以AC/NiOOH超級電容器為動力。最近,山東煙臺也出現了以這種混合電容器為動力的超級電容公交車。這些都說明了混合型電容器的廣闊市場前景。但與AC/PbO2體系相似,AC/NiOOH超級電容器在充電過程同樣存在電解液消耗的問題。該體系的正負極在充電過程分別發生以下反應:

在充電過程中電解液中OH-向正極遷移并與Ni(OH)2發生反應,產生NiOOH且釋放出電子。與此同時,K+向負極遷移,并在活性碳電極的表面吸附產生吸附電容。通過以上分析我們可以發現:在充電過程中的陰陽離子分離造成了電解質消耗的問題。

本課題組采用鐵鹽水解的方法,制備了beta-FeOOH化合物,該化合物在工作區間1.5—3.3V(vsLi+/Li)表現出良好的循環特性,并且其容量可以達到200mAh/g,比較適合作為電化學不對稱電容器的負極[17]。將FeOOH和商用活性炭配對組裝的不對稱電容器,其工作區間在0—3V,比容量為30mAh/g,其實際能量密度可以達到碳/碳雙電層電容器的2—3倍。對該體系進行倍率測試,發現其具有較好的倍率特性,在10C電流下工作,仍有80%的容量維持率,經過800次循環,基本無衰減。

3.2 Li4Ti5O12/活性炭混合電化學超級電容器

2001年美國Telcordia Technologies報道了有機電解質溶液系Li4Ti5O12/AC混合電容器[19]。這一混合體系分別以活性炭(AC)和Li4Ti5O12為正負極,其能量密度可達每公斤數十瓦時(接近目前鉛酸蓄電池的能量密度水平),50C倍率放電是5C倍率放電容量的75%,4000次循環后容量保持90%以上,有商品化的可能。采用同樣的電極材料體系和2M的LiBF4/乙腈溶液制成的軟包裝模擬電容器,比能量達11Wh/kg,循環壽命可達100000次。如圖2所示,在充電過程中,電解質中的陰離子向正極(活性炭)遷移并產生吸附電容,同時Li+向負極(Li4Ti5O12)遷移并發生嵌入反應。

該體系與一般雙電層電容器的工作曲線如圖3所示。Li4Ti5O12/AC體系的工作電壓范圍為1.5—2.8V或者更高,而一般的雙電層電容器的工作電壓基本在0—2.7V范圍,根據體系能量密度計算公式:E=1/2CV2,該體系就可以得到幾倍于雙電層電容器的能量密度。

Li4Ti5O12/AC體系的能量密度在很大程度上取決于活性炭電極,由于活性炭材料在電極過程中發生陰離子的吸附脫附反應,該非法拉第過程所能夠儲存的能量有限,一般在有機體系中,活性炭材料的容量基本在100F/g左右。同樣的,該體系的功率密度則在很大程度上取決于Li4Ti5O12材料,因為Li4Ti5O12的電極過程是鋰離子的嵌入脫嵌反應,因此在反應速率上遠不及活性炭電極的吸附脫附過程。Li4Ti5O12作為鋰離子電池負極材料,對于石墨等碳材料而言,具有更好的安全性能、較高的可靠性和循環壽命長等優點,因此,近年來被認為可能在不對稱電容器以及高功率儲能電池方面得以應用。

Li4Ti5O12尖晶石材料是一種典型的零應變嵌入化合物,顯著特點是具有一個十分平坦的充放電電壓平臺。它能夠避免充放電循環中由于電極材料來回伸縮而導致的結構破壞,從而提高電極的循環性能和使用壽命,減少了隨循環次數的增加而帶來的比容量的大幅度衰減[32,33]。尖晶石型Li4Ti5O12的理論容量為175mAh/g,實際循環容量在150—160mAh/g范圍內[34,35],目前市售的Li4Ti5O12材料,其容量可以達到160mAh/g左右。

國外有很多關于基于Li4Ti5O12的混合超級電容器的報道,Pasquier等報道了Li4Ti5O12為負極聚合物為正極的雜電容器[36]。Rambabu課題組嘗試以活性炭為正極,LiCrTiO4為負極,組裝非水體系不對稱混合超級電容器[37]。其電壓曲線在1—3V之間呈傾斜趨勢,平均電位接近2V,并在1mA/cm2的充放電電流下表現了59mAh/g的比容量。該體系還表現出卓越的循環壽命,經過1000次循環體系容量保持率為96%。然而,由于目前傳統方法制備的Li4Ti5O12材料顆粒較大(通常在1μm左右),且材料的本征電導率很低(10-13S/cm),并不適合在大功率輸出場合應用,因此,這類材料乃至于基于此類材料的不對稱電容器的發展與應用受到了一定制約。

本課題組創新性地將熔融鹽引入到Li4Ti5O12合成工藝之中[38],借助于低溫熔融的LiCl為熔鹽,在反應過程中提供一個液相反應環境,使得TiO2原料和反應鋰鹽得以充分接觸,促進了反應進行,縮短了反應時間。而且在整個反應過程中LiCl熔鹽為反應惰性,并不參與化學嵌鋰反應,因此可以確保最終產物為化學計量比的Li4Ti5O12。我們在最優化合成條件(LiCl/TiO2=16/1,煅燒溫度750℃,處理時間1h)下得到的Li4Ti5O12材料,其顆粒在100nm左右,容量約為159mAh/g。將此材料與活性炭配對組裝成不對稱電容器進行測試,其倍率性能遠遠優于應用傳統方法合成的大顆粒Li4Ti5O12所組裝的電容器體系,其在130C大電流倍率下放電,仍保有50%左右的初始容量,而以大顆粒Li4Ti5O12為負極的電容器,在50C時的容量維持率已經低于50%。

同時本課題組率先提出改良的Li4Ti5O12固相合成方法[39]。通過碳包覆方法預處理TiO2原料,使其表面均勻包覆一層導電炭,繼而將該材料混合以化學計量比的鋰鹽,在惰性氣氛下高溫固相煅燒制備得到樣品。由于碳層在惰性氣氛下的穩定性,將反應原料顆粒互相隔開,避免材料由于高溫處理而燒結導致顆粒增大。最終得到的產物,其粒度在幾十納米左右;由于炭層的高導電性,最終得到的Li4Ti5O12材料也具備較高的電子導電性;由于該方法的可操作性與簡便性,具備一定的量產前景。該方法為我們提供了一種全新的合成制備途徑,并可以延伸應用于其他一些鋰離子嵌入化合物的制備合成過程之中。我們將自制的碳包覆納米Li4Ti5O12作為負極,與商用活性炭配對組裝成不對稱電化學電容器。組裝得到的AAA電容器體系,其能量密度可以達到6Wh/kg,兩倍于目前的活性炭/活性炭雙電層電容器(EDLC),其倍率特性更為出色,在40C時的容量維持率仍有62%。

對于超級電容器體系的電解液來說主要分為水體系以及非水體系,水系電解質中電容器的工作電壓僅僅局限在1.2V以下,而在非水體系中由于考慮循環壽命以及電解液安全問題也控制在2.7V以下。然而較高的能量密度取決于電容器的電容以及工作電位的提高。為了滿足以上兩點就需要開發新體系的混合電容器。2006年YoShio等[21]發現,在高于一定高電位時,某些石墨化碳與陰離子產生嵌入反應,以這種石墨代替無定形的活性炭作為正極,活性炭為負極組裝成有機電解質體系混合超級電容器。在充放電過程中,石墨正極發生陰離子的嵌入脫出反應,同時負極發生陽離子的吸附脫附反應。

該體系的工作電壓范圍為2—3.5V,比能量可達15Wh/kg,首3圈的充放電性能如圖4所示。當負極與正極的質量比增加時,體系的比容量增加,但循環壽命下降,為了得到好的循環壽命,正極的利用率應控制在70mAh/g以下。當采用不同的電解液時,陽離子種類不同將對活性炭負極產生影響,進而影響整個混合體系的性能。目前,該體系正在產業化的過程中。

3.4鋰離子電池碳材料/活性炭混合電化學超級電容器

鋰離子電容器(LIC)[40]是一種混合型超級電容器,正極采用類似于EDLC電極材料的活性炭,負極采用鋰離子電池負極碳材料。通過金屬Li在充電過程中的預摻雜降低負極電位,由于負極材料比電容明顯高于正極材料比電容,因此在放電過程負極電位仍舊能夠保持在較低的電位,從而提高混合超級電容器的工作電壓。JM能源公司已經將這種鋰離子電容器組裝測試,并得到了較好的結果:該超級電容器可在較寬的溫度范圍內工作(-20℃—70℃),工作電壓范圍在2.2V—3.8V,平均工作電壓達到3.0V,能量密度達到了14Wh/kg、25Wh/L的較高水平,同時具有較好的倍率效果,有望進一步產業化生產。

3.5水系鋰離子電池材料/活性炭混合電化學超級電容器

總觀電化學雙層電容器和現有報道的混合型電化學超電容器,存在著一個共同的問題,這就是在充電過程中,電解質溶液的陰陽離子分離,造成電容器內阻增大,為克服這個問題,需要加入大量電解質溶液,導致電容器比能量降低,同時這個原因也使得現有電容器固態化和半固態化困難。Zheng[28]在J.Electrochem.Soc.雜志提出了估算電容器最大比能量密度的模型,并計算現有報道的電容體系的最大比能量和充電過程由于離子分離所需的最少電解質量。如果活性物質的重量(包括正負極電極材料和電解質溶液)占整個電容器總重量的40%,現有電容器的比能量密度最大能達到20Wh/kg。上述體系也存在一些問題,AC/Ni(OH)2采用Ni(OH)2作正極材料,但Ni(OH)2倍率特性較差,影響電容器的比功率。有機電解質溶液系Li4Ti5O12/AC雖然具有高的工作電壓,由于采用的有機電解質溶液電導較低,大電流充放電性能較差,另外由于采用易燃有毒性的有機電解質溶液,存在安全性的問題,并且由于需要在無水條件下操作,制造成本較高。

3.5.1活性炭/錳酸鋰混合電化學超級電容器

為了解決上述問題,本課題組發明了一種新型混合型水系鋰離子電池/電容器,這種電化學超電容器將離子嵌入-脫嵌機制與電化學超電容器由離子吸附產生的雙電層機制協調組合于一個儲能器件中[22—24]。正極采用含有鋰離子的嵌入化合物材料,負極采用高比表面的活性炭、介孔碳或碳納米管等,電解液采用含鋰離子、或者其他堿金屬、堿土金屬、稀土金屬、鋁或鋅的一種或幾種離子的混合物的水溶液。其充放電過程只涉及一種離子在兩電極間的轉移,而電解液主要充當離子導體的作用,工作原理類似于鋰離子電池,因此也叫“搖椅式電容器”。其充放電過程與常規的電化學雙電層超級電容器(EDLCs)以及其他見諸報道的陰陽離子分離、電解液損耗的混合超級電容器的電化學行為有很大的不同(如圖5),因此具有較高的比能量,并且有利于電容器固態化和半固態化。

新型混合型水系鋰離子電池/電容器具有比能量和非常長的循環壽命,LiMn2O4,LiCoO2和LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2都可作為該體系的正極,其中LiMn2O4在不同pH值溶液中都表現出穩定的電化學性能,而LiCoO2和LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2在水溶液中的穩定性隨著溶液pH值的升高而升高,這可能與溶液中質子的不可逆嵌入有關。三種混合體系AC/LiMn2O4、AC/LiCoO2和AC/LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2的能量密度是接近的;AC/LiCoO2體系具有較好的功率特性,但其循環性能較差;AC/LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2體系具有較好的循環壽命,但其功率密度較差。綜合各個方面的參數比較,AC/LiMn2O4體系的綜合性能最佳,具有產業化的前景,采用活性炭負極、尖晶石型錳酸鋰正極和2MLi2SO4水溶液電解質組成的混合型電容器(AC/LiMn2O4)其最大耐壓為1.8V,平均工作電壓為1.3V,單從電容器的活性物質包括正負極活性材料和電解質溶液計算,新型AC/LiMn2O4的最大比能量為54Wh/kg,高于現有體系(AC/Ni(OH)2為51Wh/kg,AC/Li4Ti5O12為50Wh/kg,AC/AC有機電解液體系為9Wh/kg,AC/AC水溶液電解液為7Wh/kg),實際電容器估算比能量為15Wh/kg。現有實驗表明循環20000次,容量維持率大于95%,是普通二次電池的10倍以上,并且具有大功率、安全、低成本和無環境污染的特點。從性能、成本和環境影響的綜合面來分析,新型混合型水系鋰離子電池/電容器的綜合性能超過現有任何一種電容器,因此具有很大的商業化前景。特別適合于作為電動汽車的動力電源。

3.5.2 LiTi2(PO4)3/MnO2(活性炭)混合電化學超級電容器

近期本課題組報道了以MnO2為正極,碳包覆的LiTi2(PO4)3為負極,1MLi2SO4為電解液組成的水系不對稱混合超級電容器[41]。其電壓曲線在0.7—1.9V之間呈傾斜趨勢,平均電位為1.3V,并表現了36mAh/g的比容量,較大的能量密度達到47Wh/kg(按電極活性物質總重量計算)。該體系還表現出較好的循環壽命,在10mA/cm2充放電的條件下,經過1000次以上循環,該體系容量保持率為80%。該混合超級電容器體系表現了優良的倍率性能,相比較在200W/kg的功率密度下能量密度為43Wh/kg,在大倍率1000W/kg下進行充放仍得到25Wh/kg的能量密度。

在此基礎上,嘗試以活性炭為正極,碳包覆的LiTi2(PO4)3為負極,1MLi2SO4為電解液組成的水系不對稱混合超級電容器[42]。其電壓曲線在0.3—1.5V之間呈傾斜趨勢,平均電位為0.9V(如圖6),并表現了30mAh/g的比容量,能量密度達到

27Wh/kg(按電極活性物質總重量計算)。該體系還表現出卓越的循環壽命,在10mA/cm2充放電的條件下,經過1000次以上循環,該體系容量保持率為85%。然而該混合超級電容器體系較MnO2/碳包覆的LiTi2(PO4)3混合電容器體系表現了更加優良的倍率性能,相比較在200W/kg的功率密度下能量密度為24Wh/kg,在大倍率1000W/kg下進行充放仍得到15Wh/kg的能量密度。

3.6活性炭/金屬氧化物混合電化學超級電容器

近年來,利用金屬氧化物發生氧化還原反應而產生的法拉第準電容進行能量儲存的電化學電容器引起了科研工作者的極大興趣[43,44]。

3.6.1活性炭/RuO2·H2O體系

由于RuO2·H2O具有高的比容量,因而是一種良好的電極材料。正極采用RuO2·H2O,負極采用活性炭,電解液采用H2SO4,制得的混合電容器的比容量達770F/g,比能量達26.7Wh/kg[45],但是因為釕的價格昂貴,它的應用受到了一定的限制。制備高比表面積的RuO2以提高材料的利用率、合成RuO2與其他金屬氧化物的復合材料以減少RuO2的用量、尋找廉價金屬氧化物以替代稀貴金屬等成為近幾年的研究熱點。目前已經合成了RuO2與MoOx、VOx和Co3O4等復合的氧化物材料。Evans等[46]將80%的無定形RuO2和20%的炭黑混合,制成薄膜電極,其比容量達到570F/g,在200℃下將薄膜沉積在鉭基體上,最大比容量可達590F/g,循環8×105次,容量變化不明顯。以RuO2等貴金屬氧化物為電極材料的準電容器的研究較多,但其價格昂貴且有毒,因此在商品化方面存在困難[47]。鈷、錳、鎳的氧化物具有與RuO2相似的性質,它們資源豐富價格便宜,是較好的替代RuO2的超級電容器電極材料[48,49]。

3.6.2活性炭/NiO體系

由于鎳和釕具有類似的電化學性質,用其制得的電容器電壓比活性炭雙電層電容器的電壓高1倍。NiO的制備方法不同,制得的電容器的性能也有很大差別。將其作為正極,與活性炭負極組成非對稱型超級電容器,正、負極活性物質的質量比為1∶3,工作電流密度為200mA/g時,比容量達71.5F/g[50]。

3.6.3活性炭/MnO2體系

據文獻報道MnO2比電容高達698F/g[51],Fe3O4膜為100F/g[52],但由于其用溶膠-凝膠浸漬法制備的薄膜電極用于超級電容器時,只有當膜層很薄時才具有高的質量比電容,因為集流體單位面積活性物質太少,導致體積比電容很小,難以在實際中應用。王先友課題組采用納米α-MnO2,活性炭為電極材料,組裝成混合型超級電容器[53],α-MnO2單電極比電容可達237F/g,混合電容器工作電壓高達1.5V,并且具有良好的大電流放電性能和較好的循環壽命,400圈循環后容量可以保持97%,并且具有極低的自放電率。也有研究者用活性炭作負極,用納米MnO2水合作正極的碳錳混合超級電容器,其雙電極比容量能達到42.5F/g[54,55]。混合超級電容器與一般超級電容器相比,其工作電壓窗較寬,比能量密度較大。

3.6.4活性炭/Fe3O4體系

王成揚課題組研究了以納米Fe3O4和活性炭為電極材料的超級電容器[52],混合電容器的工作電壓可達到1.2V,電流密度為0.5mA/cm2時,電容器的能量密度達到9.25Wh/kg。

3.6.5活性炭/PbO2混合電化學超級電容器

Volfkovich等報道AC/PbO2混合電化學超級電容器(HESC),以碳布(1000—2500m2/g)作負極,以小型PbSO4-PbO2極化電極為正極,采用多孔聚合物隔膜和硫酸電解液,其能量密度達到18.5W·h/kg[56]。為了使AC/PbO在極化電極模式下工作,必須選擇合適的活性材料質量比使正負極容量相匹配,充放電曲線只有在電流不太高的情況下才具有線形特征。HESC在放電過程中電解液體積減少5%—20%,電解質濃度下降15%—50%,在PbSO4-PbO2電極上發生液-固反應,使得固相體積膨脹,因此其內阻也在不斷發生變化。分析測試表明,有少量鉛遷移至負極,在活性炭表面沉積出0.5—2mg/cm2金屬鉛,導致負極容量增大而漏電流減小。HESC可作為動力電源用于小型電動車、閃光燈、便攜式儀器等。

3.7活性炭/聚合物混合超級電容器

導電聚合物電極電容器最大的優點是可以在高電壓下工作(3.0—3.2V),可彌補過渡金屬氧化物系列工作電壓不高的缺點,代表著超級電容器電極材料的一個發展方向。目前應用最廣的導電聚合物是聚噻吩及其各種衍生物。聚3-甲基噻吩(PMeT)n/p型摻雜的超級電容器(陽極是p型摻雜PMeT,陰極是活性炭),相對于雙電層電容器,它具有較低的放電容量,最大容量一般為40F/g左右[57],但由于其有較高的放電電壓,所以可滿足高電壓領域的要求。聚苯胺具有很大的法拉第電容,是一種良好的電極材料。Laforgue等[58]用p型摻雜聚苯胺作為正極材料,活性炭作為負極材料,6.0mol/LKOH溶液作為電解液,制成混合電容器,其比容量達380F/g,循環壽命達4000次,在1.0—1.6V之間,比能量達到18Wh/kg,比功率達到1.25kW/kg。另外,聚吡咯、聚對苯和聚并苯等均可用作超級電容器的電極材料。

4總結與展望

綜上所述,混合型電化學超級電容器是一種介于超級電容器和二次電池之間的一種非常有前景的儲能裝置,是混合電動車等的理想電源。相比于雙電層電容器,其能量密度有利于顯著的提高,然而同時也存在一些問題:雖然其功率密度高于二次電池,但相比于傳統超級電容器來說,并沒有達到理想的功率密度,在大電流充放時仍有一定的容量衰減;并且由于二次電池電極的壽命及體相反應安全性的限制,混合型超級電容器的循環性能和安全性能也受到一定影響。電極材料作為決定電容器性能的關鍵因素之一,是目前研究的重點。因此開發具有高比電容量、高工作電壓、大比功率以及長循環壽命的復合電極材料以提高混合型超級電容器的能量密度和功率密度是今后努力的方向。

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關鍵字:超級電容器

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