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二维纳米材料超级电容器件  

2016-06-20 17:13:20|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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图1. 储能器件中,二维纳米材料形貌对离子传输性能的影响

图2. 二维材料复合结构增强电容器性能

图3. 基于二维材料的超级电容器配置

 一、主要内容

  二、用于电容式储能器件的二维纳米材料分类

  2.1 石墨烯

  自从2008年,Rao和Ruoff等人将石墨烯用于超级电容器以来,研究人员通过对石墨烯进行晶格结构、形貌、化学处理等改性,使得石墨烯基超级电容器的储能性能得到大大提高。完美的平面石墨烯具有较低的电容,开放式的多孔和弯曲形貌的石墨烯有利于提高离子传输性能,从而提高能量和功率密度。缺陷和掺杂有效提高了石墨烯的量子电容。

  优势:

  1)高理论比表面积。2630 m2 g-2。

  2)优异的电学性能。

  特点:

  1)容易团聚:π-π相互作用,导致相互接触的石墨烯层容易发生聚集和团聚。

  2)离子和电子传导性:具有SP2结构的碳晶格扰乱会导致电学性能降低。

  3)层数:石墨烯的各种优异性能和石墨烯层数重大相关

图4. PECVD制备的石墨烯及其超级电容器性能

2.2 二维金属氧化物

  优势:

  1)氧化还原活性有效提高电容值。

  2)高比重使得其具有比石墨烯更高的体积比电容,即便是在重量比电容相同的情况下。

  缺点:

  导电性较差。大部分金属氧化物都是绝缘体或半导体,导电性较差限制了其储能能力,尤其是在高放电速率条件下。

  改进办法:

  缺陷、非化学计量法以及与其他二维材料的复合可以提高导电性,形貌和纹理的设计、电极构筑等方法提高离子传导性能。

  主要材料:

  Ru氧化物、Mn氧化物, 、Mo氧化物为主;以及其他Co3O4, NiCo2O4, TiO2-B,TiO2-anatase, Fe3O4.等。

图5. 二维钌酸纳米片及其超级电容器性能

 2.3 二维过渡金属二硫属化物

  代表材料MoS2特点:

  亚稳态的2H(半导体相)、1T相(金属相),以及稳定的3R混合相。

图6. 二维1T-MoS2及其超级电容器性能

  2.4 二维金属碳化物(MXenes)

  代表材料:Ti3C2Tx特点:

  金属导电性、亲水性、离子嵌入能力

图7. Ti3C2Tx及其超级电容器性能

表1. 各种二维材料电化学性能汇总

三、电容性能的主要制约条件和影响因素

  制约条件:团聚和低导电性

  影响因素:纳米片层材料的组成;形貌和材质;电极构筑;器件配置

  通过复合和多级次的2D、3D结构构筑,将纳米片隔离开来,避免团聚。空间阻隔材料包括:其他的0-2维材料。同时,复合材料之间的协同效应也有助于电化学性能的进一步提高。

图8. δ-MnO2/rGO复合材料

  四、超级电容器的微型化和柔性化

  主要包括:基于还原氧化石墨烯的微型超级电容器;基于其他无机二维材料微型超级电容器;基于二维材料的柔性、自支撑膜超级电容器;透明柔性电极等。

图9. 激光剥蚀制备的微型超级电容器及其电化学性能

五、规模化、廉价的电极制备技术

  1. 激光剥蚀生产

  2. 印刷生产

  3. 卷轴式生产

图10. 喷墨打印方法

  六、挑战与策略

  1.二维纳米片的尺寸和厚度控制

  2.化学和电化学稳定性

  3.电极薄膜的规模化制备

  本文根据以下文献编译整理,仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系!

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