我校在超级电容器研究上取得一系列重要进展

     超级电容器(Supercapacitor),又名电化学电容器(Electrochemical capacitor),是一种主要依靠双电层电容和氧化还原赝电容进行电荷储存的新型储能装置。作为一种新型绿色的储能器件,超级电容器兼有电池的高比能量和传统物理电容器的高比功率的优点。自本世纪初美国Maxwell、日本NEC及松下公司推出成熟的市场产品后,超级电容器已经成功应用于混合动力汽车、风力发电、太阳能发电、军工、智能电网及工业UPS等领域,并在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费类电子产品、国防、通信等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。


我校夏晖课题组一直致力于水系高性能超级电容器的研究,近期从电极材料到电容器件的研究上取得一系列重要研究进展。相关研究成果均发表在学科顶级期刊,并申请了相关专利。

课题组以新型超级电容器的产业化应用为目标,选择氧化铁、氧化锰等资源丰富,成本低廉的电极材料为研究对象。通过合理的结构设计,以氧化锰基材料为正极,氧化铁基材料为负极,构建了具有高工作电压的不对成型超级电容器(相关成果发表于Adv. Funct. Mater. 25, 2015, 627Adv. Funct. Mater. 27, 2017, 1606728.先进功能材料,影响因子12.2)。设计了简单、适合批量化制备的工艺,研发了FeOOH非晶量子点/石墨烯复合材料,通过纳米非晶的结构调控,大幅度提高了氧化铁基负极材料的超电容性能(相关成果发表于Adv. Funct. Mater. 26, 2016, 919.先进功能材料,影响因子12.2)。对氧化锰电极材料的传统储电机理提出了质疑,采用金属离子预嵌入提高了MnO2电极材料的赝电容性能,并通过其储电机理的研究,提出了MnO2赝电容产生的新机制(相关成果发表于ACS Appl. Mater. Inter.8, 2016, 33732.美国化学会-应用材料和界面,影响因子7.5)。

在上述研究工作的基础上,夏晖教授和朱俊武教授通过结构调控,设计研发了具有宽工作电位窗口的氧化锰基正极材料和氧化铁基负极材料,在国际上首次报道了2.6 V的水系不对称型超级电容器(图1),同传统的2 V器件相比,极大的提高了水系超级电容器的工作电压。相关工作发表在材料领域顶级期刊Adv. Mater.(先进材料,影响因子19.8)上,第一作者为夏晖课题组巴基斯坦博士生Nawishta Jabeen,通讯作者为格莱特纳米科技研究所夏晖教授和化工学院朱俊武教授。

基于电极材料的质量,该超级电容器器件具有高达81 Wh/kg的能量密度,在20 kW/kg的高功率密度下仍能提供38 Wh/kg的能量密度,并在1万次循环后仍能保持93%的容量。该技术采用成本低廉的电极材料,实现了具有高能量密度和高功率密度的超级电容器器件,其能量密度已远高于目前商业化的活性炭超级电容器(5-10 Wh/kg)和铅酸电池(~50 Wh/kg),具有较高的实用价值和较好的应用前景。