超级电容器研究进展论文

【嵌牛导读】 ：现在已经步入智能机的时代，相比以前的手机，现在的智能机屏幕大、功能多，但是电量始终是个大问题，电池续航能力不行、寿命短，怎么办呢？黑科技新型超级电容器，让手机瞬间满电。 【嵌牛鼻子】 ：超级电容器、手机、快速充电 【嵌牛提问】 ：超级电容器性能如何？能如何运用？ 【嵌牛正文】 ：         美国范德比尔特的研究人员表示，他们已经首次成功打造出具有超级电容器这项技术的功能健全的原型机。其中一名研究人员卡里-宾特说：“据我们所知，这些装置首次证明了我们可以制造一种能在储存和释放大量电流的同时，又能经受住振动或冲击等现实存在的静载荷和动力考验的材料。”宾特和安德鲁-威斯多弗研制的这种新装置是一种超级电容器，它储存电流的方式是通过让带电离子聚集到多孔材料表面，而非像现在的电池一样通过化学反应储存这些离子。因此这些超级电容器能在几分钟内储满电，并不需要几小时，而且它能循环使用数百万次，并不像现在的电池一样只能使用数千次。         宾特说：“当你能把能量与建设系统的成分结合在一起时，它就打开了科技可能性的全新世界的大门。突然间，以健康、娱乐、 旅行 和社交为基础设计的科技产品的能力，将不再受到插座和外部电源的限制。”超级电容器只储存比当前电池少10倍的电量，但是它们的续航时间却比后者长一千倍，这意味着可以把它们建在墙体和汽车底盘里。他说：“当你把电能储存在需要结构整体性的重型材料里时，电池的性能指标会发生变化。超级电容器储存的电能比当前使用的锂离子电池少10倍，但是它们的续航时间却比后者长一千倍，也就是说它们更适合于结构应用。如果它们很快就会失去作用，每隔几年就需要更换一次，把它们当做建设住宅、汽车底盘或者飞行器的材料就没有什么意义了。”         宾特和威斯多弗发表在在线杂志《纳米快报(NanoLetters)》上的一篇论文中称，他们的新结构的超级电容器在压强高达44磅/平方英尺(约合6千帕)和振动加速度超过80g(比喷气发动机涡轮叶片承受的压力和振动明显更大)的环境下，在储藏电荷和释放电荷方面的操作堪称完美。此外，该装置的机械强度并不会影响它的电能储存能力。宾特说：“我们的超级电容器在未被拆封、结构完整的情况下，能储存更多电能，而且与已拆封的、现货供应的商用超级电容器相比，它能在更高的电压下正常运行，并且在强烈的动态和静态压力下也不例外。”         目前OPPO的VOOC闪充是大家所熟知的手机快速充电的技术，VOOC闪充创新性改变电路拓扑结构，降低温度，同时首次打造从适配器到接口再到手机的全端式五重防护技术，将最快充电速度提升四倍以上。其本质上并没有在传统充电方式上做出改变，而超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。         超级电容器利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器的充放电过程始终是物理过程。        由于其充电技术不同，超级电容器具备了以下特点： 1、充电速度快，充电 10 秒 ~10 分钟可达到其额定容量的 95 %以上； 2、循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 1~50 万次； 3、能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率 ≥ 90% ； 4、功率密度高，可达 300W/KG~5000W/KG ，相当于电池的 5~10 倍； 5、产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源； 6、安全系数高，长期使用免维护； 7、超低温特性好，可工作于零下 30 ℃ 的环境中； 这些特点可以说特别适合目前的智能手机，充电速度、使用时间、体积、安全性和低温时的工作状态，几乎能够弥补现在智能机电池的所有缺陷。期待其大规模生产并运用的那一天的到来，那时智能手机会迈出的一大步。

成果简介

由二维MXene材料制成的独立和可弯曲薄膜由于其高度的灵活性、结构稳定性和高导电性，已显示出作为储能器件电极的巨大潜力。然而，MXene板不可避免重新堆叠很大程度上限制了其电化学性能。 本文，西北工业大学材料学院党阿磊、李铁虎教授等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater.》期刊 发表名为“Flexible Ti3C2Tx/Carbon Nanotubes/CuS Film Electrodes Based on a Dual-Structural Design for High-Performance All-Solid-State Supercapacitors”的论文， 研究通过交替过滤Ti3C2Tx/碳纳米管（CNT）杂化和CuS分散的逐层（LbL）方法，通过双重结构设计制备了具有三明治状结构的膜电极。

引入的碳纳米管和赝电容CU提供了丰富的活性位点，以增加电极的存储容量。增大的层间距有利于电解质离子的传输。因此，厚度为17μm的优化Ti3C2Tx/CNTs/CuS-LbL-15薄膜电极（1.7 mg/cm3）在聚乙烯醇（PVA）/H2SO4凝胶电解质中仍表现出1 a/g的高重量电容（336.7 F/g）和体积电容（572.4 F/cm3），这两者在过去的报告中在相同厚度下都是最高的。同时，该样品在电流密度为9A/g时表现出令人印象深刻的速率能力，57%的电容保持率，在高速率为5a/g的5000次循环后保持99.6%的初始容量的超稳定循环，以及在不同弯曲状态下的良好柔韧性。此外，全固态对称超级电容器在340 W/L的功率密度下显示出12.72 Wh/L的能量密度。这项工作为组装高性能储能器件的Ti3C2Tx/CNT和CuS混合电极提供了有效途径。

图文导读

图1. (a) LbL法制备夹层状Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的工艺示意图。(b)在直径为5mm的玻璃棒上包裹独立的柔性 Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的数字图像，以及 (c) 用手折叠的相应平面状薄膜。

图2. Ti3C2Tx /CuS-LbL-5 (a) 和Ti3C2Tx /CuS-LbL-15 (b) 薄膜横截面的SEM图像及其对应的 Ti 和铜元素。(c) 样品XRD光谱的比较。（d）和（e）分别是（c）在2θ的5-10和26-35 范围内的放大图。(f) 样品的相应拉曼光谱。

图3. (a) Ti3C2 Tx基薄膜电极全固态超级电容器示意图。(b) 纯Ti3C2 Tx、Ti3C2 Tx /CuS-LbL-5 和Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15薄膜在5 mV扫描速率下的CV曲线比较/秒。(c) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15在1至9 A/g 的不同电流密度下的恒电流充电/放电 (GCD) 曲线。(d) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15 的CV曲线比较和Ti3C2 Tx/CuS-hybrid-15在5mV/s 的扫描速率下和 (e) 在1A/g电流密度下的相应GCD曲线。

图4、电化学性能

图5. (a) 组装后的超级电容器在不同弯曲状态下的光学图像。(b) Ti3C2 Tx/CNTs/CuS-LbL-5薄膜在5 mV/s的扫描速率下不同弯曲角度的CV曲线。(c) 与之前报道的作品相比，超级电容器的体积功率和能量密度图。

小结

综上所述，采用 LbL 方法制备了具有夹层结构的可弯曲和独立的 Ti3C2 Tx /CNTs/CuS 复合膜电极，其中 Ti3C2 Tx/CNTs 杂化片材和CuS活性材料分别为通过过滤交替堆积。这项工作为全固态SCs设计高性能电极提供了一种有效的方法，在柔性和可穿戴电子产品中具有巨大的应用潜力。

文献：