新能源專題 | 王洋：基于二維電極材料的超級電容器（清華楊誠課題組/康飛宇團隊）

Gavin 6年前 (2017-08-29) 12717瀏覽

由深圳市清新電源研究院主辦，材料人網、打滾留學承辦的“2017能源應用線上研討論壇”于08月14號開講啟航，專題一為“新能源轉化與存儲技術：更高、更快、更強”。???戳我參會獲取本期首個報告回放視頻。

【報告人簡介】

王洋，清華大學深圳研究生院博士后，主要研究方向為超級電容器電極材料制備和器件封裝。目前在Energy & Environmental Science, ACS Nano, Nano Energy等雜志發表論文20余篇，已承擔國家自然科學基金、中國博士后基金和廣東省自然科學基金等多項課題。

【報告內容】

超級電容器是一種新型儲能器件，因可填補電池功率密度與電容器能量密度的不足而受到科技工作者的青睞。制備高性能的超級電容器以調控其能量密度和功率密度，關鍵技術在于電極材料的合成、高性能活性電極制備和高可靠性超級電容器的封裝等。在電極材料方面，以石墨烯為代表的二維材料因其大比表面積、良好的機械性能等特征而被應用在超級電容器中，取得了重大進展；對于活性電極制備，可通過靜電噴涂、印刷、激光等工業成熟的規模化工藝組裝高性能電極薄膜和三維宏觀體；對于超級電容器的封裝，采用電鍍、刻蝕、印刷、激光、熱壓等成熟工藝可大大提升器件的可靠性。基于上述討論，本報告分別針對石墨烯、石墨烯/多價態氧化錳和二硒化鉬三種活性電極材料，結合可靠的工業化技術，制備了柔性薄膜超級電容器、可裁剪和貼片超級電容器、高功率密度超級電容器。如下進行詳細探討。

柔性薄膜超級電容器因具備可彎曲、折疊、異型等特性在未來可穿戴電子設備中有較大的應用空間，相對于傳統的商用插入式或貼片（超級）電容器，可大大利用設備中的有限空間。由于薄膜超級電容器的封裝體積較小，可表現出較高的體積能量密度。通過激光加工氧化石墨烯薄膜構筑平面叉指微型超級電容器，在掃速為1V/s時，其體積能量密度分別為商用貼片超級電容器和傳統鋁電解電容的3.75和8785倍。該器件可以通過成熟的印刷、熱壓等工藝封裝，體現出超薄（18微米）、柔性和高體積能量密度（LiCl-PVA膠體電解質中為0.98mWh/cm³，離子液體電解液中為5.7mWh/cm³）等特征。該器件可以集成在電子系統中，體現在未來可穿戴電子設備中的應用前景。

對于超級電容器而言，器件的容量和循環性能是重要指標。通過規模化方法制備一種石墨烯/多價態氧化錳(rGO/MnO_x)復合材料，作為超級電容器的正極材料，有望大幅提高其電化學性能。首先，通過GO模板誘導片狀δ-MnO₂生長，繼而通過水合肼一步還原GO并調控MnO₂的價態，獲得rGO/MnO_x復合材料。該復合材料在大載量下依然具有優異的電化學性能，2mg/cm²的載量下比容量達202F/g，19mg/cm²的載量時其面電容可達2.5F/cm²，同時體現出超長的壽命（115000圈，容量保有率106%）。將其作為正極材料與活性炭負極、離子液體電解液組裝，獲得的三明治超級電容器最大能量密度達47.9Wh/kg，功率密度可達20.8kW/kg，在80000次循環后容量仍有96%的保有率。最后，利用大規模加工工藝技術（電鍍、刻蝕、印刷、熱壓等）開發新型結構器件加工，制備了可裁剪和貼片兩種超級電容器，未來有望應用在微型和可穿戴電子設備中。