新能源专题 | 王洋：基于二维电极材料的超级电容器（清华杨诚课题组/康飞宇团队）

Gavin 7年前 (2017-08-29) 14791浏览

由深圳市清新电源研究院主办，材料人网、打滚留学承办的“2017能源应用线上研讨论坛”于08月14号开讲启航，专题一为“新能源转化与存储技术：更高、更快、更强”。☞☞☞戳我参会获取本期首个报告回放视频。

【报告人简介】

王洋，清华大学深圳研究生院博士后，主要研究方向为超级电容器电极材料制备和器件封装。目前在Energy & Environmental Science, ACS Nano, Nano Energy等杂志发表论文20余篇，已承担国家自然科学基金、中国博士后基金和广东省自然科学基金等多项课题。

【报告内容】

超级电容器是一种新型储能器件，因可填补电池功率密度与电容器能量密度的不足而受到科技工作者的青睐。制备高性能的超级电容器以调控其能量密度和功率密度，关键技术在于电极材料的合成、高性能活性电极制备和高可靠性超级电容器的封装等。在电极材料方面，以石墨烯为代表的二维材料因其大比表面积、良好的机械性能等特征而被应用在超级电容器中，取得了重大进展；对于活性电极制备，可通过静电喷涂、印刷、激光等工业成熟的规模化工艺组装高性能电极薄膜和三维宏观体；对于超级电容器的封装，采用电镀、刻蚀、印刷、激光、热压等成熟工艺可大大提升器件的可靠性。基于上述讨论，本报告分别针对石墨烯、石墨烯/多价态氧化锰和二硒化钼三种活性电极材料，结合可靠的工业化技术，制备了柔性薄膜超级电容器、可裁剪和贴片超级电容器、高功率密度超级电容器。如下进行详细探讨。

柔性薄膜超级电容器因具备可弯曲、折叠、异型等特性在未来可穿戴电子设备中有较大的应用空间，相对于传统的商用插入式或贴片（超级）电容器，可大大利用设备中的有限空间。由于薄膜超级电容器的封装体积较小，可表现出较高的体积能量密度。通过激光加工氧化石墨烯薄膜构筑平面叉指微型超级电容器，在扫速为1V/s时，其体积能量密度分别为商用贴片超级电容器和传统铝电解电容的3.75和8785倍。该器件可以通过成熟的印刷、热压等工艺封装，体现出超薄（18微米）、柔性和高体积能量密度（LiCl-PVA胶体电解质中为0.98mWh/cm³，离子液体电解液中为5.7mWh/cm³）等特征。该器件可以集成在电子系统中，体现在未来可穿戴电子设备中的应用前景。

对于超级电容器而言，器件的容量和循环性能是重要指标。通过规模化方法制备一种石墨烯/多价态氧化锰(rGO/MnO_x)复合材料，作为超级电容器的正极材料，有望大幅提高其电化学性能。首先，通过GO模板诱导片状δ-MnO₂生长，继而通过水合肼一步还原GO并调控MnO₂的价态，获得rGO/MnO_x复合材料。该复合材料在大载量下依然具有优异的电化学性能，2mg/cm²的载量下比容量达202F/g，19mg/cm²的载量时其面电容可达2.5F/cm²，同时体现出超长的寿命（115000圈，容量保有率106%）。将其作为正极材料与活性炭负极、离子液体电解液组装，获得的三明治超级电容器最大能量密度达47.9Wh/kg，功率密度可达20.8kW/kg，在80000次循环后容量仍有96%的保有率。最后，利用大规模加工工艺技术（电镀、刻蚀、印刷、热压等）开发新型结构器件加工，制备了可裁剪和贴片两种超级电容器，未来有望应用在微型和可穿戴电子设备中。