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高性能微超级电容器的设计和制造:im电竞官网
本文摘要:超级电容器也被称为电化学电容器,基于在低比表面积的碳电极/电解液界面产生的双电层电容器、在过渡的金属氧化物或导电性聚合物的表面或体相再次产生的水解还原反应来构筑能量的蓄积。因此,以石墨烯纳米金属氧化物复合材料为电化学活性材料,辅助结构合理的三维电极,自由选择合适的离子液体电解液,将构筑兼具传统电容器和锂离子电池双重优势的蓄电设备。

超级电容器也被称为电化学电容器,基于在低比表面积的碳电极/电解液界面产生的双电层电容器、在过渡的金属氧化物或导电性聚合物的表面或体相再次产生的水解还原反应来构筑能量的蓄积。其结构与电池相似,主要包括负极、电解液、隔膜、集电体。

作为新的蓄电装置,超级电容器具有输出低、电池时间短、寿命宽、工作温度范围长、安全性高、无污染等优点,将来将成为本世纪的新绿色电源。以往的超级电容器体积小,无法应对环境微设备的蓄电设备体积小的拒绝。

因此,高性能微超级电容器的设计和制造,作为能量存储手段在微系统中的应用是目前研究的热点之一。众所周知,电极材料是超级电容器的关键,要求能量密度、功率密度、循环稳定性等电容器的主要性能指标。

迄今为止,纳米结构的活性炭、碳化物已被碳、碳纳米管、碳洋葱、水解钌、聚苯胺和吡咯等用作微超级电容器的电极材料,但它们的性能指标得到了很大发展另外,生产微超级电容器电极需要简单的光刻工艺,条件严格,周期长,因此难以削减产品的成本和价格,妨碍了商业化的前景。事实证明碳原子规则排列成圆形蜂窝状的石墨烯是一种新型高效的超级电容器电极材料。

最近,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校工程与应用科学学院理查德内核教授的研究小组发展了一种以石墨烯为基础的新型微型超级电容器。令人惊讶的是,这种电容器不仅具备小型的外形,最重要的是能在短时间内完成电池,充放电的速度比标准电池慢几百倍到几千倍。另外,该石墨烯微超级电容器极其灵活,一般的变形会影响电容器的性能。

更令人吃惊的是,生产这种小型微型超级电容器不需要先进的设备机器,可以用普通的家用DVD光刻录像机完成整个生产过程。这个研究小组大约30分钟,一张光盘可以生产100多个石墨烯微超级电容器。其工艺非常简单,使用的材料都很便宜。除了电极材料,这个团队还对电极结构展开了优化和比较。

用光刻得到的平面石墨烯电极与更广泛的三明治式石墨烯电极相比,具有更好的电容性能。另外,完全相同面积的石墨烯,手指交叉形状的微电极的数量越多,电容器的性能越少。

电容器

该小组首次明确提出了纳米二氧化硅和离子液体混合中含有的新固体电解质。该电解质与现有固体电解质相比,能够将电容器的容量及轻时间提高数倍,具有与薄膜型锂离子电池相媲美的性能。因此,这种精巧的石墨烯微电容器将来将被用作MEMS系统、便携式电子设备、无线传感器网络、柔性显示器、电子报纸及其许多生物体内电子设备的蓄电设备。

汽车领域的初贞岗虽然用电池驱动的电动汽车有比较好的生态足迹,但也有很多特性,如价格支出不足、续航距离太短、电池时间过长等,不能成为传统汽车最有魅力的替代方案。如果能使用更好的电力储存方式代替轻型和大电池,就能为电动汽车避免这些受欢迎的特性。根据欧洲一项研究收集的结果,高容量超级电容器有望成为理想的替代方案。

在名为ElectroGraph的研究计划中,研究机构和业界10位合作伙伴共同开发了比现有超级电容器具有更高存储性能的创造性超级电容器。以德国研究机构FraunhoferIPA为中心的研究小组以电容器容量的减少与电极的可利用领域成比例为前提。

因此,研究者们正在对有前途的纳米材料寻找具有更高表面积/单位体积(m2/g )的石墨烯。由于石墨烯实质上每克(g )具有约2,600平方米(m2/g )的内部表面积,因此是超级电容器电极的理想材料。

另外,石墨烯具有良好的电流传导性能。石墨烯由碳原子的超薄单层晶格构成,大幅减少了电极表面。电极之间的空间除了离子液体外还充满了液体电解质。石墨烯电极融合离子电解质,构成理想的材料费小组,在Fraunhofer主导该计划的CarstenGlanz中进行了说明。

事实上,并不是只有Fraunhofer的研究者开展这项研究,现在一些研究计划也在深入探讨这个研究方向。斯图加特的研究人员自由选择了特定的方法,即需要通过以一定的距离对石墨烯薄层彼此进行排序,来制定能够实际利用纳米材料理论利用面积的生产方法。这种方法防止石墨烯薄层彼此相连而增加储藏面积,影响可储藏的能量。

根据Glanz的响应,在这项研究中发现的电极可以获得比现在超级电容器中使用的商用电极更好的75%的存储容量。研究者们确信,在将来的电动车中,电池不会连接到汽车整体生产的多个超级电容器。这些超级电容器储存继续执行HVAC、导航系统、电动后视镜所需的电力,有效地降低电池阻抗,特别是在电动机启动时,作为拆下电池的缓冲器存储,因此研究小组在汽车外部后视镜的超级电容器中开发了在调整汽车后视镜时供电的展示系统。中国积极参与创造性的研究,随着石墨烯这样的万能材料研究的深入和国家对新能源领域的大力支持和投入,一些大学和科学研究院在清华大学、北京大学、复旦大学、天津大学、中国科学院物理研究所、金属研究所、宁波材料例如,清华大学的科研人员顺利制造了具有高倍率特性的三维石墨烯微超级电容器,中国科学院兰州化物所的科研人员在国际上首次发现石墨烯量子点具有优异的容量特性, 以其为电极材料制造的微电容器具有优良的倍率特性和频率响应特性是理想的微超级电容器同时应该包括高性能的电极材料、与之相匹配的电解液和科学合理的电极结构。

电极材料具有良好的碳电极导电性和循环稳定性,金属氧化物可以蓄积更好的电荷,因此两者的有效融合不包括足够的电极材料。在电解液方面,离子液体可以贞操地提高电容器器件的工作电压、充放电持续时间和温度范围。微电极结构通过使电极成为立体的三维结构,能够得到更大的表面积,不利于确保阻抗更好的电极活性物质和活性物质的充分利用,不利于提高电容器的电荷蓄积性能。

因此,以石墨烯纳米金属氧化物复合材料为电化学活性材料,辅助结构合理的三维电极,自由选择合适的离子液体电解液,将构筑兼具传统电容器和锂离子电池双重优势的蓄电设备。另外,之后,寻求比较缓慢且廉价的微电极生产技术、电容器PCB和模块化技术、微超级电容器和其他能量器件的耦合技术等也是未来的研究开发重点。


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