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基于多孔载体的超级电容器电极材料及性能研究

时间:2011-06-02
     

随着科技和社会的发展,许多场合如电动汽车等对电源功率的要求大大提高,已经远远超出了电池的承受能力。超级电容器是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置,兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的特点,其比容量是传统电容器的20200倍,比功率一般大于1000W/kg,远远大于二次电池;循环寿命大于105次,也远远优于电池。此外,超级电容器还具有工作温度范围宽、安全、无污染等优点,因而在许多场合有着独特的应用优势和广阔的应用前景,开发超级电容器这种新型绿色储能器件已成为21世纪人类可持续发展的迫切需要。

电极材料是超级电容器的关键,目前各国研究者都在寻找具有以下特点的超级电容器的电极材料:(1)材料资源丰富,价格低廉;(2)材料的制备方法简单,能得到高比表面积的电极材料;(3)材料导电性好,电荷在电极/电解质中迁移阻力小,以及其空间结构有利于活性离子的嵌入/脱出;(4)作为电活性物质,重复循环后其物理和化学性能相对稳定,尤其是电化学性能;(5)对环境友好,所用的电解液也对环境污染尽量小。

 

1.主要研究内容

本研究基于多孔载体的高容量超级电容器复合电极材料,这是一个崭新的研究领域,为超级电容器电极材料的发展提供了新思路。通过简单的方法制备得到了一系列的基于多孔载体复合电极材料,包括金属氧化物/USY复合材料、导电聚合物/介孔碳复合材料、金属氧化物/介孔碳复合材料(包括氢氧化镍、氢氧化钴、二氧化钌和二氧化锰)和金属氧化物/SBA-15复合材料,并且获得了目前超级电容器复合电极材料的最高比电容,并且具有较好的大功率充放电特性。另外,多孔载体的加入使得电极材料的内部阻抗降低,提高了材料的利用率,降低了成本,是环境友好的复合电极材料。研究人员对基于多孔载体的高容量超级电容器复合电极材料的结构和高容量特性进行了系统地研究和探讨,这对于继续开发出性能更优良的复合电极材料具有十分重要的意义。

2.主要的科技创新贡献及国内外影响

1)采用超稳Y型分子筛(USY)、有序介孔碳(CMK-3)、有序介孔分子筛(SBA-15)为载体,优化实验方法,成功制备得到了一系列的具有超高比电容的复合电极材料:金属氧化物/USY复合材料、导电聚合物/CMK-3复合材料、金属氧化物/ CMK-3复合材料(包括氢氧化镍、氢氧化钴、二氧化钌和二氧化锰)和金属氧化物/SBA-15复合材料,并系统地研究了这些复合电极材料的结构及超级电容性能。其中,含50% USYNi(OH)2/USY复合电极的比容量高达1580 F/g;矫正了氢氧化镍质量分数后所对应的纯氢氧化镍的比容量达到3161 F/g。聚苯胺/介孔碳复合材料在0.5A/g电流密度下放电比电容值达到458F/g,其中介孔碳的含量为30%;当介孔碳的含量为55%时,矫正了质量分数后纯聚苯胺的比容量值高达817 F/g。当介孔碳的含量为15%时,氢氧化镍/介孔碳复合电极材料在0.5A/g电流密度下放电比电容值达到2570F/g;介孔碳的含量为25%时,矫正了质量分数后氢氧化镍的比容量值高达3200 F/g。当SBA-15的含量为10%时,Co(OH)2/SBA-15复合材料的比容量为470F/g。以上复合材料的比电容值均达到了世界领先水平。

2)基于多孔载体的复合电极材料具有超高的容量是一项重要发现,对其超级电容性能进行了系统详细地研究,如多孔载体的质量分数与比电容值之间的关系、复合电极材料的大电流功率特性及多孔载体表面性质对提高容量所起的作用等。研究人员在研究过程中发现多孔载体通过有针对性地表面改性过程,使得多孔载体表面具有丰富的活性基团,促使目标化合物在多孔载体表面三维定向成长,得到的多孔载体复合电极材料具有非常高的比表面积和纳米尺度范围内的微观结构,复合材料的比容量和离子传输倍率得到了大大的提高;多孔载体的加入可以使得复合电极材料的内部阻抗降低,改善了在电解液中的离子扩散性质,对提高比容量起到了重要作用;另外,多孔载体的加入大大提高了目标化合物的利用率,降低了成本,这使得超级电容器的应用前景更为光明,继续开发基于多孔载体的复合电极材料是超级电容器电极材料研究的一个崭新的思路和有前途的发展方向。

3)在多孔载体复合电极材料的研究过程,发现通过简单的化学液相沉淀的方法得到的纯氢氧化镍和氢氧化钴具有良好的超级电容性能,材料呈现出一种由相互交错的纳米片组成的疏松填充的花样结构,从而使得纯氢氧化镍和氢氧化钴的结构孔道丰富,比表面积较大,因此具有较高的比电容值。纯氢氧化镍和氢氧化钴超级电容性能的研究,对于多孔载体复合电极材料的结构设计及性能研究起到了至关重要的作用。

基于多孔载体的超级电容器电极材料及性能研究这一课题在《Chemical Communication》、《Journal of Power Sources》、《Journal of The Electrochemical Society等著名国际期刊上发表论文16篇,取得了一系列重要研究成果,其后续研究正在进行之中。

成果清单

序号

成果类型

成果名称

完成人

刊物、出版社或

授权单位名称

年、卷、期、页

或专利号

1

论文

Facile approach to prepare loose-packed NiO nano-flakes materials for supercapacitors

Jun-Wei Lang, Ling-Bin Kong, Wei-Jin Wu

Chemical Communications

2008,35: 4213-4215

2

论文

MWNTs/PANI composite materials prepared by in-situ chemical oxidative polymerization for supercapacitor electrode

Ling-Bin Kong, Jing Zhang, Jing-Jing An

Journal of Materials Science

2008, 43(10): 3664-3669

3

论文

Facile approach to prepare loose-packed cobalt hydroxide nano-flakes materials for electrochemical capacitors

Ling-Bin Kong, Min Liu, Jun-Wei Lang

Journal of Power Sources

2009, 194(2): 1194-1201

4

论文

Asymmetric supercapacitor based on loose-packed cobalt hydroxide nanoflake materials and activated carbon

Ling-Bin Kong, Min Liu, Jun-Wei Lang

Journal of The Electrochemical Society,

 

2009, 156(12): A1000- A1004.

5

论文

In-situ electrochemical polymerization of multi-walled carbon nanotube/polyaniline composite films for electrochemical supercapacitors

Jing Zhang, Ling-Bin Kong, Bin Wang

Synthetic Metals

2009, 159(3-4): 260-266

6

论文

A facile approach to the preparation of loose-packed Ni(OH)2 nanoflake materials for electrochemical capacitors

Jun-Wei Lang, Ling-Bin Kong,Wei-Jin Wu

Journal of Solid State Electrochemistry

2009, 13(2): 333-340

7

论文

Synthesis, characterization, and electrochemical properties of Ni(OH)2/ultra-stable Y zeolite composite

Jun-Wei Lang, Ling-Bin Kong, Wei-Jin Wu

Journal of Materials Science

2009, 44(16): 4466-4471

8

论文

Nano-composite of polypyrrole/modified mesoporous carbon for electrochemical capacitor application

Jing Zhang, Ling-Bin Kong, Jian-Jun Cai

Electrochimica Acta

2010, 55(27): 8067-8073

9

论文

Co0.56Ni0.44 oxide nanoflake materials and activated carbon for asymmetric supercapacitor

Jun-Wei Lang, Ling-Bin Kong, Min Liu

Journal of The Electrochemical Society

2010, 157(12): A1341- A1346

10

论文

Hierarchically porous nickel hydroxide/mesoporous carbon composite materials for electrochemical capacitors

Jing Zhang, Ling-Bin Kong, Jian-Jun Cai

Microporous and Mesoporous Materials

2010, 132(1-2): 154-162

11

论文

Co(OH)2/SBA-15 molecular sieves nanocomposite materials for electrochemical capacitors

Ling-Bin Kong, Jian-Jun Cai, Lin-Lin Sun

Materials Chemistry and Physics

2010, 122(2-3): 368-373

12

论文

Asymmetric supercapacitors based on stabilized α-Ni(OH)2 and activated carbon

Jun-Wei Lang, Ling-Bin Kong, Min Liu

Journal of Solid State Electrochemistry

2010, 14(8): 1533-1539

13

论文

Nanoflake-like cobalt hydroxide/ordered mesoporous carbon composite for electrochemical capacitors

Jing Zhang, Ling-Bin Kong, Jian-Jun Cai

Journal of Solid State Electrochemistry

2010, 14(11): 2065-2075

14

论文

Synthesis of polypyrrole film by pulse galvanostatic method and its application as supercapacitor electrode materials

Jing Zhang, Ling-Bin Kong, Heng Li

Journal of Materials Science

2010, 45(7): 1947-1954

15

论文

A novel polyaniline/mesoporous carbon nano-composite electrode for asymmetric supercapacitor

Jian Jun Cai, Ling Bin Kong, Jing Zhang

Chinese Chemical Letters

2010, 21(12): 1509-1512

16

 

论文

电化学混合电容器用新型聚吡咯/介孔碳纳米复合电极

张晶,孔令斌,

蔡建军

物理化学学报

2010, 26(6): 1515-1520

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