《面向儲能智慧型化套用的超級電容器件的三維設計和研究》是依託蘭州大學，由謝二慶擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：面向儲能智慧型化套用的超級電容器件的三維設計和研究
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：謝二慶
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著電子設備及其多功能化套用的發展，智慧型化儲能器件由於具有柔性、透明、彈性可拉伸等優點在人們的日常生活或某些專項領域發揮著日益重要的作用。相比於其他電化學儲能器件，超級電容器因其功率密度高、充電速率快、壽命長等優點，已成為智慧型化儲能器件領域的研究熱點。目前，巨觀二維平面組裝構建的超級電容器件在智慧型化套用過程中出現功率密度與能量密度不能兼得，及電化學性能不穩定、機械形變強度低、壽命短等問題。基於此，本項目提出一種基於器件組元的微觀組裝的三維超級電容器件設計（三維儲能器件）：（1）增加一個維度可以解決超級電容的能量密度與功率密度不能兼得問題，（2）微觀組裝設計不僅可增強器件在其巨觀尺度的劇烈變化下的電化學性能穩定性，還可緩解電極內部應力聚集和釋放引起的器件機械性能差和壽命短問題。本項目的研究將為面向智慧型化套用的儲能電容器的製備提供科學依據和設計思路。
結題摘要
超級電容器由於其功率密度高、充放電速率快、循環壽命長等優點，逐步成為智慧型化儲能器件領域的研究熱點。目前商業化的超級電容器能量密度遠低於鋰離子電池，因為其儲能主要依靠電極材料表層的界面反應。因此，超級電容器電極材料需要合理的三維設計，以增大電解質與電極的接觸面積，從而增加界面反應，提高其性能。超級電容器電極材料主要有碳材料、金屬氧化物、導電聚合物等等。基於碳材料的雙電層超級電容器，其儲能機制主要是物理吸附離子，故其能量密度較低，而基於金屬氧化物等的贗電容器，是通過氧化還原反應儲能，其能量密度雖然有所提高，但是功率密度不如雙電層電容器。針對超級電容器功率密度和能量密度不能同時兼得的問題，我們通過對電容器材料的三維結構設計和改性，最佳化器件的性能。主要成果有：（1）通過對商業的三聚氰胺泡沫進行一步碳化，製備出氮摻雜的、可壓縮的、可彎曲的、電化學性能較高的三維泡沫碳，並且研究了碳化溫度對三維泡沫碳性能的影響。適當的碳化溫度為三維泡沫碳提供良好的機械性能，在壓縮和彎曲過程中仍然能保持良好的電化學性能。氮的摻雜為泡沫碳提供了一部分贗電容，提高了材料的比電容，在0.5A/g電流密度下比電容高達221F/g，當電流密度增加到50A/g時，比電容仍然有100F/g。（2）通過靜電紡絲並碳化製備自支撐碳纖維片CNF，然後用CVD法在碳纖維表面生長碳納米管CNT，製備出CNT-CNF複合材料。用KOH高溫活化處理CNT-CNF，在700-750℃下，KOH活化90min，CNT-CNF複合電極的尖端完全張開，比表面積提高299.5m2/g（約為原始電極的5倍），比電容提高3-4倍。（3）引入了一種電化學活化方法來改善MnO2@CNTs的電化學性能。在電化學活化過程中，濺射後的MnO2薄膜可以重構並形成3D納米片結構，並伴隨有電解液離子的嵌入。經過放電電流密度為10mA/cm2電化學活化的MnO2，在電流密度為0.5A/g時，比電容為404F/g，在100A/g時，電容仍然能保持78.7%。
