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印度科學院:內串聯工藝提升超級電容器電壓、能量密度和倍率性能

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月02日  

超級電容器由于功率性能好、循環壽命長等因素得到了廣泛的關注。根據物理學常識我們知道:功率=電壓´電流,由于目前的超級電容器的電壓一般較低,為1-3V,因此提高輸出功率僅能通過提升超級電容器的工作電流來實現,但是提升工作電流是有極限的,首先受限于超級電容器的動力學條件,主要包含離子在電解液中的擴散速度,以及離子在電極材料內的擴散速度(贗電容)等,此外還受到電池集流結構的設計的限制,傳統結構的集流體接觸阻抗大,大電流放電時會導致溫度升高等問題,都使的無限提高放電電流是不可能的。


因此要進一步提升超級電容器的功率密度要從電壓的角度進行著手,提升超級電容器的電壓也主要有兩個方面可以實現:1)材料本身,通過更換電極材料提高電池電壓。這方面可操作的空間不大,一方面受制于材料自身的因素,電壓提高非常困難,另一方面受限于電解液的電化學穩定窗口,不可能無限提高電壓。2)另一個方面可以通過內串聯的方式提升超級電容器的電壓。一般而言這種方式僅適用于全固態結構的超級電容器,傳統的液態電解質超級電容器,由于電解液的流動性,使得電極僅能實現內部并聯的形式,只有全固態結構的超級電容器才能夠通過結構設計實現內部串聯。


印度科學研究院的BuddhaDeka Boruah和Abha Misra兩人根據上述的理論,提出了一種凝膠電解質內串聯電容器,為了解決KOH溶液流動的問題,Buddha Deka Boruah將PVA(乙烯醇)與KOH溶液進行了混合,制備了凝膠電解質。該超級電容器通過內串聯的辦法使得工作電壓達到了4.5V,相比于相同材質的普通超級電容器,能量密度和功率密度分別提升61%和33%。在4.5V的工作電壓下,循環5000次容量保持率可達97%,同時該電容器還具有良好的柔性,可以進行彎折。


該內串聯電容器的制備過程如下圖所示,電極成分分別為rGO- CNTs-Fe2O3//rGO-CNTs-ZnCo2O4 ,其中rGO能夠提供雙電層電容,CNT既能夠提供雙電層電容也能夠提升電極的導電性,Fe2O3和ZnCo2O4能夠發生氧化還原反應,提供贗電容。Buddha Deka Boruah利用掩膜輔助噴射沉積技術將其涂布在集流體的表面。


下圖a為該超級電容器的循環伏安測試結果,掃面速度為50-1000mV/s,圖b則展示了該電容器在2000-5000mV/s的掃描速度下循環伏安曲線,上述測試表明該電容器具有非常好的倍率性能。圖d則展示了在不同的彎曲角度下,超級電容器的循環伏安曲線,從曲線上可以看到,彎曲角度對于超級電容器的性能幾乎沒有影響,表明該超級電容器具有良好的柔性。圖中虛線部分展示了該電容器的工作原理。


下圖為該電容器的工作曲線,圖a展示了在不同的電流密度(0.222A/g-0.555A/g)下,該電容器的充放電曲線,圖b為不同的工作電壓(1.5V-4.5V)下,電容器的充放電曲線。從圖e中的嵌入圖可以看到,隨著改超級電容器工作電壓的提高,其能量密度和功率密度同時提高,這表明超級電容器的性能與工作電壓呈現正相關的關系。同時該超級電容器還表現出了非常優異的循環性能,在4.5V的工作電壓下,循環5000次容量保持率可達97%。


BuddhaDeka Boruah和Abha Misra兩人通過凝膠電解質克服了液態電解質電池無法實現內串聯的難題,內串聯工藝使得超級電容器的電壓得到了大幅度的提高,并使的其能量密度和功率密度都有了顯著的提高,該方式也可以在鋰離子電池設計方面進行借鑒。


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