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海南大学陈永：多孔炭对超级电容器电容性能的影响

锂电联盟会长 2023-05-24 11:09
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　　超级电容器具有高功率密度、使用寿命长、适用温度范围宽、安全可靠性高等特点，在汽车、轨道交通、电网及电力设备、仪器仪表和传感器、数码电子、智能家电、电动工具、通讯设备、工程机械、船舶、航天军工等领域具有广泛的应用，并高速增长。超级电容器根据储能机理不同可分为赝电容器和双电层电容器。赝电容器主要通过离子在电极材料的表面/近表面发生非扩散控制的法拉第氧化还原反应存储电荷，而双电层电容器则依靠离子在电极/电解质界面上的物理吸/脱附存储电荷。电极材料是超级电容器最关键的部件之一，其对电容性能具有重要的影响。由于多孔炭材料具有良好的物化稳定性、高比表面、可调的孔结构、优异的导电性、低成本、环保、资源丰富等优点，是目前商用超级电容器主要电极材料。
海南大学陈永教授课题组总结了多孔炭对超级电容器电容性能的影响，在《新型炭材料》上发表综述“A review of charge storage in porous carbon-based supercapacitors”。该综述详细地概述了电荷存储的双电层理论，包括Helmholtz、Gouy-Chapman和Stern模型；系统地总结了多孔炭基超级电容器电容性能的影响因素，包括比表面积、孔结构、表面化学状态、炭的结构缺陷及杂原子掺杂和电极结构设计等。该综述为多孔炭基超级电容器的设计奠定了一定的理论基础和指导方向。

图1 多孔炭基超级电容器电容性能的影响因素

高的比表面积有利于多孔炭电容性能的提高，但其比表面积与归一化电容之间无严格的线性关系。一般地，当多孔炭的孔径大小与去溶剂化离子(或裸离子)尺寸相匹配时，其比容量最优。因微孔可为离子储存提供丰富的化学活性位点，介孔可作为离子迁移和传输的通道，大孔可作为离子缓冲空间，具有合适比例的微/介/大孔的分级多孔炭将具有优异的电容性能。精确地分析多孔炭的比表面积和孔结构将为电容炭的开发和精准制备提供依据，通常采用Ar吸/脱附及基于吸附支的QSDFT解析得到比表面积和孔径分布。而结构缺陷（空位、边缘）和表面杂原子（O、N、P、S、F、B）的存在或引入会改变炭材料的表面异质性，从而改变炭电极的导电性、润湿性，以及诱导赝电容。此外，合理的电极结构设计（如：石墨烯导电剂、多维梯度电极）能有效地提高多孔炭的电容性能。

文章信息 

New Carbon Materials

LUO Xian-you, CHEN Yong, MO Yan. A review of charge storage in porous carbon-based supercapacitors. New Carbon Materials, 2021, 36(1): 49-68.
通讯作者简介


　　陈永，教授/博导，海南大学材料科学与工程学院副院长；海南省硅锆钛综合开发与利用重点实验室主任；南海海洋资源利用国家重点实验室海洋能源利用研究团队负责人；海南省高层次“领军人才”和“南海名家”；曾在日本国立产业技术综合研究所和美国中佛罗里达大学从事锂离子电池材料研究。目前研究主要集中在新型储能材料，包括超级电容器和锂离子电池的研究。在Energy & Environmental Science, Carbon, Energy Storage Materials, Green Chemistry, Journal of Materials Chemistry A，ChemSusChem, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon等期刊发表SCI论文100余篇。研究成果获得海南省科学技术一等奖和三等奖3项。


　　莫岩，博士，主要研究锂离子电池、超级电容器等新型储能材料。发表论文10余篇，发表刊物有Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Power Sources等。

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