先進電化學儲能器件的原理、分析方法和材料設計

【引言】

電極納米化和雜化設計思路被廣泛應用于高性能電化學儲能器件的設計。這也導致贗電容和電池材料之間電化學行為界限變得模糊。比如同一種材料，取決于晶體結構，結晶度，載流子類型和尺寸，即可以展現出電容行為，也可以展現出電池行為。因此，從電化學反應機理出發，結合電化學分析方法，深入探討贗電容和電池材料電化學行為極其重要。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學劉繼磊博士及申澤驤教授同華東理工大學江浩和李春忠教授、新加坡科技局張麗麗研究員合作，以“Advanced Energy Storage Devices: Basic Principles, Analytical Methods, and Rational Materials Design”為題在Advanced Science 撰寫綜述論文。從動力學和材料設計角度，深入探討贗電容類型和機理、贗電容和電池材料電化學行為的差異及其決定因素、詳細闡述相應的電化學分析方法，并提供高性能電極材料優化設計方案。

【圖文導讀】

圖1 電化學儲能器件相關機理

(a) Ragone 曲線; (b) 雙電層電容、贗電容和電池電化學反應機理。

圖2 典型雙電層電容、贗電容和電池材料電化學行為

AC: (a) & (b); Polyaniline:?(c) & (d); LiFePO₄: (e) & (f); C-V曲線。

圖3 三種贗電容反應類型

(i) 欠電位沉積; (ii) 氧化還原贗電容; (iii) 插入贗電容。

圖4 贗電容CV曲線中的臨界掃描速率

(a) 理想的雙電池電容； (b)-(d) 不同掃描速率下, 贗電容氧化還原峰分離演變。

圖5 典型贗電容材料實例展示

CV曲線-掃描速率關系圖：(a) 水合 RuO₂; (b) MnO₂; (c) Polyaniline; (d) Mxene Ti₃C₂T_x.

圖6 典型贗電容和電池材料實例

CV曲線-掃描速率關系圖：(a) 典型贗電容材料; (b) 實例T-Nb₂O₅; (c) 典型電池材料;? (d) 實例LiFePO_4.

圖7 峰值電流-掃描速率構效關系區分贗電容和電池

b值用于分離由擴散控制貢獻的表面氧化還原反應。

圖8 影響b 值因素

電極材料類型：(a) T- Nb₂O₅ & (b) LiFePO₄; 電位：(c) b值與電位曲線；載流子類型: (d) (Li⁺ vs. Na⁺).

圖9 兩種方法定量區分面/體電荷貢獻

圖10 本征贗電容行為及其影響因素

晶體結構 (a) & (d); 結晶度 (b) & (e);? 載流子類型 (c) & (f).

圖11?非本征贗電容行為及其影響因素

上圖顯示了電化學行為隨晶粒尺寸的演變規律。

圖12?二元混合（雜化）設計用于優化電化學特性

通過電極雜化設計，實現對面/體電荷比例的調控，顯著提高電化學特性。

【小結】

該綜述深入探討了贗電容和電池材料電化學行為及其影響因素，系統總結了相關電化學分析方法，為高性能電化學儲能器件提供重要理論指導。

文獻鏈接：Advanced Energy Storage Devices: Basic Principles, Analytical Methods, and Rational Materials Design?(Adv. Sci., 2017, doi:?10.1002/advs.201700322)

本文由劉繼磊博士提供。

作者簡介

劉繼磊博士于2015年從新加坡南洋理工大學獲得博士學位。多年來一直從事碳基電化學儲能材料與器件設計研究工作，特別專注于新型碳材料（如石墨烯/碳納米管雜化結構）的綠色和低成本制備，高性能堿金屬離子電池、水系雜化電池和非對稱電容器設計，以及相關電化學反應機理研究。截止目前，共發表SCI 論文40余篇。是國際電化學學會和美國電化學學會會員。

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