中科院煤化所陳成猛ACS Energy Letters：超級電容器隔膜綜述

稀、飯 11個月前 (11-15) 1578瀏覽

01、文章信息

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員，蘇方遠副研究員與中國農業大學王洪亮副教授合作在國際知名期刊ACS Energy Letters上發表題為“Separator Design for High Performance Supercapacitors: Requirements, Challenges, Strategies, and Prospects”的綜述論文，中國農業大學博士研究生黎晶雪為第一作者。

 

02、工作簡介

超級電容器由于具有功率密度高、免維護、壽命長等優異性能已成為學術界和產業界關注的熱點。隔膜作為超級電容器的主要部件之一，對構建安全和高性能的超級電容器至關重要。本文系統總結了超級電容器理想隔膜的需求，商用隔膜面臨的挑戰和局限性，綜述了通過改進隔膜的原材料和制備方法提升超級電容器電化學性能的策略。最后，對超級電容器隔膜進一步發展的方向和前景進行了展望。

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圖1. 商用隔膜及新型隔膜。

圖2. 隔膜特性對超級電容器性能的影響。

表1. 超級電容器理想隔膜的需求

Parameter

Requirement

Chemical stability

Stable for a long period of time (> 10 years)

Thermal stability

< 1% shrinkage after 1 h at 140°C

Dimensional stability

Lay flat without curl up

Thickness

< 50 μm

Tensile strength

≥ 0.30 KN m?1?

Pore size

< 1 μm

Porosity

> 55%

Permeability (Gurley)

< 800 cm3?min?1?cm?2

Wettability (suction height)

Wet out quickly (≥ 26 mm 10·min?1)

Electrochemical stability

Stable for a long period of time (> 10 years)

Cost

Low (< 15% of production cost)

 

圖3. 超級電容器中新型隔膜的制備策略及特點

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03、總結與展望

本文綜述了超級電容器隔膜的最新研究進展。根據原材料的類型，可將其分為三類，包括生物質基隔膜、合成聚合物基隔膜和無機復合隔膜。此外，還詳細討論了這些類型的隔膜在改善超級電容器性能方面的最新進展，為不同應用場景下選擇最適合的隔膜提供了有用指導。

生物質基隔膜。生物質具有豐富，可再生，可降解和環境友好的優勢，多種生物質可用于制備超級電容器的隔膜。其中纖維素基隔膜具有明顯的原材料價格、生產成本和產能優勢。首先，纖維素是世界上最豐富的生物質，來源廣泛且價格低廉。其次，纖維素基隔膜是超級電容器中最主要的商用隔膜，具有明確成熟的技術路線。第三，將各種納米纖維與纖維素混合來制備隔膜，有望克服現有商用隔膜的局限性并適用于現有產線。此外，纖維素基隔膜具有良好的熱穩定性和電解液潤濕性/儲存能力，具有擴展至其他儲能器件應用的巨大潛力，特別是鋰離子電池和鈉離子電池等應用。

合成聚合物基和無機復合隔膜。各種合成聚合物和無機物也常用于制備超級電容器的隔膜，以獲得增強的機械強度、熱穩定性和其他性能。聚丙烯基隔膜具有高機械強度和良好的化學穩定性，但受限于較差的熱穩定性。PVDF隔膜具有良好的電解液潤濕性和熱穩定性。通過各種改進技術，如等離子體改性、自由基反應和快速重離子輻照等，可以提高聚合物基隔膜的熱穩定性，潤濕性或離子電導率。引入無機材料，特別是金屬氧化物，是改善隔膜的電解液潤濕性和熱穩定性的有效策略。

隔膜之外的選擇:凝膠電解質。電解液對離子電導率、最大工作電壓和超級電容器的安全性起著重要的決定性作用。傳統的超級電容器隔膜中必須填充液態電解液。液態電解液可以提供較高的離子電導率，但受限于加工性能不理想和泄漏可能性。由于液態電解液的泄露，超級電容器往往達不到預期壽命(10-20年)。隨著便攜式消費電子設備的不斷發展，具有固態電解質和凝膠電解質的柔性超級電容器的開發受到了重視，這類超級電容器可以避免電解液的泄漏，并能承受較大的機械變形。固態電解質具有安全性高、靈活性好、加工性好等優點，但其離子電導率過低。凝膠電解質的離子電導率僅略低于液態電解液。近年來，各種合成聚合物基材料和生物質基材料被廣泛用于制備凝膠電解質。但這些凝膠電解質的機械強度和離子電導率仍有待提升。

隔膜和電解液的匹配。隔膜和電解液的匹配也在很大程度上影響了超級電容器的電化學性能。電解液包括水系電解液、有機系電解液和離子液體電解液。離子液體電解液具有寬電化學窗口、幾乎不揮發、低毒性、優良的穩定性和耐久性等優點，但受限于成本高、粘度高、低溫下電化學性能差等問題。因此，應更加關注離子液體電解液的高溫應用，以及設計與之相匹配的具有優異熱穩定性的隔膜。水系電解液具有離子電導率高、不易燃、成本低、不需要苛刻的生產工藝和環境等優點。然而，它們的低分解電壓（~1.2V）大大限制了超級電容器的能量密度。有機電解液具有較寬的電化學窗口（~2.7V），良好的化學和熱穩定性，可接受的成本和優良的綜合性能，是商業超級電容器中最常用的電解液。然而，大多數隔膜的基礎研究基于水系電解液，接下來的研究應著重于隔膜與有機系電解液匹配。此外，應根據工作溫度、電解液的特性等選擇合適的隔膜。

不同用途的超級電容器對隔膜有不同的需求，因此需要制定先進的隔膜評估標準。此外，應朝著以下方向進一步優化隔膜。一、開發新型隔膜以應對商業隔膜所面臨的挑戰（包括更低厚度、更高機械強度、以及良好的化學穩定性和熱穩定性）。二、為柔性超級電容器開發具有高機械強度和離子電導率的凝膠電解質。三、著重開發與有機系電解液和離子液體電解液相匹配的高性能隔膜。四、有必要進一步降低隔膜的生產成本，并開發環境友好的工藝和材料。

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文章信息

Separator Design for High Performance Supercapacitors: Requirements, Challenges, Strategies, and Prospects

Jingxue Li, Hui Jia, Shuaishuai Ma, Lijing Xie, Xian-Xian Wei, Liqin Dai, Hongliang Wang, * Fangyuan Su, * and Cheng-Meng Chen *

ACS Energy Letters, 2022.

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01853

本文由作者供稿。

 

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