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超强石墨烯,中科院研制出石墨烯超强电池

2019年7月14日 - 美高梅mgm02233.com
超强石墨烯,中科院研制出石墨烯超强电池

[video:上海硅酸盐研究所科研成果在《科学》杂志发表:石墨烯有望成为下一代超级电容器理想材料]
近期,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的研究团队与北京大学、美国宾夕法尼亚大学的科研人员合作,合成了一种有序介孔少层碳的新型材料,其碳的sp2杂化程度高达98%,厚度少于5个原子层,是石墨烯广义家族中的一种新结构,具有优异的三维微观导电性能,经氮掺杂后具有优异的电化学储能特性。相关研究成果发表于《科学》(Science
2015, 350 , 1508-1512)杂志上。

中科院上海硅酸盐所透露,该所科学家已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料可用作电动车的“超强电池”,充电只需7秒钟,即可续航35公里。

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现代移动式设备、电动汽车等要求储能器件同时满足高能量密度、高功率密度、长寿命、安全可靠、价格低廉等特性,然而储能器件的高能量存储与快速充放通常是相互制约的。例如,锂电池具有高能量密度(80-250瓦时/公斤),但其功率密度低、充放电速度慢;传统的电容器具有极高的功率密度,但其能量密度往往很低,难以有效存储能量。为了满足高功率和高能量的要求,往往需要将二次电池和电容器联合使用。然而,这样不仅会增加储能系统的重量和体积,还会降低能量的利用效率。

世界顶级学术期刊《科学》发表了中科院上海硅酸盐研究所研制出一种新型石墨烯材料的重要研究成果。据中科院上海硅酸盐所透露,该所科学家已研制的高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”:充电只需7秒钟,即可续航35公里。

12月18日,中科院上海硅酸盐所透露,该所科学家已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料可用作电动车的“超强电池”,充电只需7秒钟,即可续航35公里。

超级电容器是介于二次电池和传统电容器之间的一种电化学储能装置,具有功率密度高、充放电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点,广泛应用于交通运输、港口机械、智能电网、风力发电等需要大功率输出的领域,目前已经形成了非常可观的市场规模,近年来保持近20%的全球增长率。与电池类似,超级电容器主要由电极、电解液、隔膜和集流体组成,其中的电极是决定超级电容器性能的核心部件。目前常用的活性炭电极是双电层的电荷存储机理,其比表面积大、稳定性好、功率密度高,但电容量小;而导电聚合物和过渡金属氧化物则能通过与电解液发生氧化还原反应而获得高的电容量,但其导电性较弱、稳定性差。此外,现有储能器件中所使用的电解液通常为有机体系,通常有毒有害、易燃易爆、安全稳定性差。

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世界顶级学术期刊《科学》发表了中科院上海硅酸盐研究所研制出一种新型石墨烯材料的重要研究成果。据中科院上海硅酸盐所透露,该所科学家已研制的高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”:充电只需7秒钟,即可续航35公里。

为解决上述问题,科研人员设计合成了一种具有高比表面积的氮掺杂有序介孔少层碳材料,该材料具有良好的电化学储能特性,比容量达855法拉/克。高比表面积特性可增加电极的双电层电容;而氮掺杂则进一步引入了氧化还原反应,增加了电化学储能活性,同时又能保持高导电率。该团队研究了电极材料中结构与性能之间的关系,发现氮原子在石墨烯中的结构不仅影响电极材料的氧化还原电位,还决定了电极材料的电容量。例如,吡啶型和吡咯型氮原子的电化学活性高于石墨型氮原子。这一重要发现为科研人员设计高电化学活性的电极材料提供了新的思路。

超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域,形成一个非常可观的市场规模,近年来保持近20%的全球增长率,产业前景突出。但现有超级电容器仍受限于低能量密度(商用活性炭:5–7瓦时/公斤),远不如锂电池(>80瓦时/公斤),原因在于较低的比容量(<250法拉/克)。如何让超级电容器兼具高功率、高能量,长期以来科学家并没有找到理想材料。

超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域,形成一个非常可观的市场规模,近年来保持近20%的全球增长率,产业前景突出。但现有超级电容器仍受限于低能量密度(商用活性炭:5–7瓦时/公斤),远不如锂电池(>80瓦时/公斤),原因在于较低的比容量(<250法拉/克)。如何让超级电容器兼具高功率、高能量,长期以来科学家并没有找到理想材料。

然而,氮掺杂尽管可以提升电极的电容量,但从其循环伏安特性中可以看到明显的氧化还原峰,当组装成对称性器件时,电容量的损失接近20%(理想超级电容器的循环伏安曲线是矩形,当组装成对称性器件时,其电容量是无损失的)。这是由于电容器的两个电极在器件中是串联的,其整体电容量取决于两者较小值。这就好比两种弹性的弹簧串联,其整体弹性取决于弹性低者。为解决这一问题,该团队采用复合不同氧化还原电位电极材料的方法,获得了循环伏安曲线近似矩形的复合电极材料,将该复合电极材料组装成对称性电容器后,其电容量的损失只有2%,器件性能非常优异。目前,该器件的能量密度为41瓦时/公斤,可以和铅酸、镍氢(能量密度40-80瓦时/公斤)等电池相比;其功率密度高达26千瓦/公斤,远高于二次电池(“0.5千瓦/公斤)。另外,他们还采用了环保的水基电解液替代有毒有害的有机体系,提升了器件的安全性与可靠性。

为破解这一难题,中科院上海硅酸盐所与北京大学、美国宾夕法尼亚大学合作研究,黄富强研究员、陈一苇教授、林天全博士等设计合成的一种氮掺杂的有序介孔石墨烯,具有极佳的电化学储能特性,比容量高达855法拉/克。

为破解这一难题,中科院上海硅酸盐所与北京大学、美国宾夕法尼亚大学合作研究,黄富强研究员、陈一苇教授、林天全博士等设计合成的一种氮掺杂的有序介孔石墨烯,具有极佳的电化学储能特性,比容量高达855法拉/克。

此外,他们获得的最新研究结果表明,该类材料的能量密度还可以通过拓展电化学窗口进一步提高,获得更高能量密度的超级电容器。此项研究成果对于推动我国超级电容器的行业发展,提升行业竞争优势具有重要意义。

黄富强介绍,与传统电极材料相比,石墨烯有四大突出优势:其一,高比表面积有利于产生高能量密度;第二,超高导电性有利于保持高功率密度;第三,化学结构丰富有利于引入赝电容,提高能量密度;第四,特殊的电子结构有利于优化结构与性能关系。

黄富强介绍,与传统电极材料相比,石墨烯有四大突出优势:其一,高比表面积有利于产生高能量密度;第二,超高导电性有利于保持高功率密度;第三,化学结构丰富有利于引入赝电容,提高能量密度;第四,特殊的电子结构有利于优化结构与性能关系。

相关研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

组装成的对称器件能快速充电和快速放电,不亚于商用碳基电容器。它的优性源于:氮掺杂诱生了氧化还原反应,也增加了电化学储能活性,又没有降低材料的高导电率。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒,能量密度为41瓦时/公斤(基于活性物质为63瓦时/公斤),功率密度达到26千瓦/公斤(基于活性物质为44千瓦/公斤)。不仅能实现了高能量密度、高功率密度,而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。该新型石墨烯超级电容器体积轻巧,可实现规模生产。

组装成的对称器件能快速充电和快速放电,不亚于商用碳基电容器。它的优性源于:氮掺杂诱生了氧化还原反应,也增加了电化学储能活性,又没有降低材料的高导电率。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒,能量密度为41瓦时/公斤(基于活性物质为63瓦时/公斤),功率密度达到26千瓦/公斤(基于活性物质为44千瓦/公斤)。不仅能实现了高能量密度、高功率密度,而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。该新型石墨烯超级电容器体积轻巧,可实现规模生产。

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据介绍,该新型石墨烯超级电容器体积轻巧、不易燃也不易爆,可采用低成本制备,实现规模生产。因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,且在快速充放方面又远远优于锂电池,因此该“超级电池”可广泛应用于现有混合电动汽车、大功率输出设备的更新换代。

美高梅mgm02233.com,据介绍,该新型石墨烯超级电容器体积轻巧、不易燃也不易爆,可采用低成本制备,实现规模生产。因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,且在快速充放方面又远远优于锂电池,因此该“超级电池”可广泛应用于现有混合电动汽车、大功率输出设备的更新换代。

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据权威专家表示,因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,在快速充放方面又远远优于锂电池,该新型石墨烯超级电容器的研制成功对推动我国超级电容器的行业发展,提升行业竞争优势,具有重要的意义。

据权威专家表示,因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,在快速充放方面又远远优于锂电池,该新型石墨烯超级电容器的研制成功对推动我国超级电容器的行业发展,提升行业竞争优势,具有重要的意义。

中科院上海硅酸盐所水基超级电容器研究取得进展

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新型石墨烯材料有望掀起行业革命

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