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中科院金属研究所与国外合作《Nature Energy》:在石墨烯制成快速充电,长时间运行,弯曲式电容器储能突破研究进展

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  • 时间:2020-03-16 12:35:47

 

       本文要点:

       开发出一种由石墨烯制成的新型可弯曲超级电容器,该电容器可快速充电并安全地存储创纪录的高水平能源,以供长期使用。

 

       一、成果简介

       超级电容器在小型化的电子产品和电动汽车上显示出了非凡的前景,但通常受到体积性能相当低的电极的限制,这在很大程度上是由于电荷存储中孔的利用效率低下。中国科学院金属研究所与英国伦敦大学学院合作,在《自然-能源》(Nature Energy) 在线发表题为《可调层间距、高效孔利用石墨烯薄膜的电化学电容储能研究》(Tuning the interlayer spacing of graphene laminate films for efficient pore-utilization towards compact capacitive energy storage)的研究论文。设计了一种片层间距可调节的复合石墨烯基薄膜,该电极具有高效的孔利用率,可以紧凑地存储电容性能量。

       可以精确调节该膜的层间距,这使得孔隙率可调。通过系统地调整电解质离子的孔径,可以优化利用孔隙,从而使体积电容最大化。因此,制造的超级电容器可提供88.1Whl^-1的堆体积能量密度在离子液体电解质中的应用,代表了对于优化致密能量存储孔隙率的关键突破。此外,经过优化的薄膜电极被组装成基于离子凝胶的全固态柔性智能设备,具有多个可选输出和出色的稳定性,在实际应用中证明了其作为便携式电源的巨大潜力。

 

       二、图文导读 

图1. 片层间距可调节的复合石墨烯薄膜的制备过程。

图2. 片层间距可调节的复合石墨烯薄膜的结构表征。

图3. 片层间距可调节的复合石墨烯薄膜的电化学表征。

图4. 电化学电容器性能。

图5. 制作全固态电化学电容器及其智能设计。

 

       三、小结

       研究人员制备了不同比例的氧化石墨烯和热膨胀还原石墨烯的混合溶液,经过真空抽滤,得到片层间距可调节的复合石墨烯基薄膜。通过调控片层间距,实现了优化整个电极材料孔隙率的效果。当电极材料的孔隙尺寸与电解液的离子尺寸相匹配时,孔隙的空间利用达到了最优化,从而极大化了体积能量密度。在此基础上,科研人员设计了全固态柔性电化学电容器,石墨烯薄膜电极材料本身良好的弯折性能,保证了整个器件的柔性,并进一步发展了智能器件,通过根据实际需求改变电路连接方式,实现了不同的输出效果。

 

       文献:Tuning the interlayer spacing of graphene laminate films for efficient pore utilization towards compact capacitive energy storage

       作者:Zhuangnan Li   , Srinivas Gadipelli   , Hucheng Li, Christopher A. Howard   , Dan J. L. Brett, Paul R. Shearing, Zhengxiao Guo *, Ivan P. Parkin * and Feng Li *

       链接:https://www.nature.com/articles/s41560-020-0560-6