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非水系锂离子混合电容器的纳米结构负极材料研究进展

第一作者:韩翠平(深圳大学)

通讯作者:李均钦(深圳大学)

成果简介:

深圳大学材料学院李均钦教授团队总结了基于有机电解液的锂离子混合电容器负极材料的研究新进展,希望对新型储能器件的开发和高性能电极材料的设计和制备提供一些研究思路。

动力电池是新能源汽车的关键核心技术,因此,开发合适的储能器件和建立高效的储能系统对新能源汽车产业的快速发展至关重要。锂离子电容器兼具锂离子电池和超级电容器工作特性,在器件内部成功实现了锂离子电池和超级电容器的复合,是一种具有极大发展潜力和应用前景的新型储能器件。然而高性能储能器件的开发和应用依赖于新型高性能电极材料的设计和制备。

近年来,科研工作者投入了大量的研究精力以开发适用于锂离子电容器的正负极材料。该论文系统全面总结了锂离子电容器用电池型负极材料的结构设计策略,归纳了常用负极材料的最新研究进展,对比了不同负极材料的储能特性,并对锂离子电容器目前存在的挑战和未来研究方向进行了总结和展望。 

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图1. (a)B和N共掺杂碳纤维负极材料制备过程示意图;(b)石墨烯/碳纳米管复合负极材料用于锂离子电容器;(c)石墨炔负极及其结构;(d)石墨炔//活性炭基锂离子电容器的电化学性能。

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图2 Li3VO4/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的(a)制备工艺及(b)微观形貌。以Li3VO4/氮掺杂碳纳米纤维复合材料为负极的锂离子电容器的(c)恒流充放电曲线和(d)能量-功率密度图。

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图3. (a)以MnO@石墨烯为负极,氮掺杂多级孔活性碳为正极的锂离子电容器结构示意图及正负极的微观形貌图; MnO@石墨烯负极(b)在不同电流密度下的循环伏安曲线及峰电流和扫描速率的关系曲线;(d)MnO@石墨烯为负极,氮掺杂多级孔活性碳为正极的锂离子电容器所构筑锂离子电容器的恒流充放电曲线。

 

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图4 Ti3C2Tx/碳纳米管复合薄膜的形貌。(a)横截面形貌图;(b)C和Ti元素的电子能量损失谱;(c)薄膜的表面形貌图。a中的插图为Ti3C2Tx/碳纳米管复合薄膜的宏观照片。 

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图5 (a)MoS2-C-rGO 复合材料的合成示意图;(b)以MoS2-C-rGO为负极的锂离子电容器示意图;(c)采用三电极测试的锂离子电容器的恒流充放电曲线(0.1A g-1);(d)MoS2-C-rGO基锂离子电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线。

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图6 (a)VN-RGO 复合负极材料的制备工艺及微观结构示意图;(b)VN纳米线和VN-rGO复合材料在0.5 mV s-1扫速下的循环伏安曲线;(c)峰电流与扫描速率平方根的关系示意图。(d)VN-RGO复合材料在0.5mV s-1扫描速率下的循环伏安曲线及相应的赝电容贡献。

参考文献:

Cuiping Han, Hongfei Li, Ruiying Shi, Lei Xu, Junqin Li*, Feiyu Kang and Baohua Li, Nanostructured Anode Materials for Non-aqueous Lithium Ion Hybrid Capacitors. Energy Environ. Mater., 2018, 1(2): 75-87. DOI: 10.1002/eem2.12009

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/eem2.12009 

团队介绍:

深圳大学材料学院李均钦教授团队研究集中在新型高性能热电、储能材料及器件的探索、制备、性能改善、二维材料、热力学及第一原理计算等方面,形成了自己的特色及较强的研究实力,完成了10多项国家、省和市级课题。研究以相图及晶体结构分析为基础,进行材料成分设计及性能优化的深入研究。课题组成员研究紧密结合,制备、测试及材料计算设备齐备。

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李均钦 教授1996年至1999年在香港城市大学物理及材料科学系攻读博士学位,1999年博士毕业后到英国Brunel大学材料工程系进行博士后研究,2001年到深圳大学工作。广东省“千百十”工程省级培养对象,中国物理学会相图专业委员会委员。目前主要从事热电材料、能量存储材料、高性能陶瓷快速烧结等方面研究。先后完成6项国家自然科学基金项目,在Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Acta Mater.等发表SCI收录论文100余篇,发明专利3项。

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刘福生 教授  2005年中科院物理所凝聚态物理博士毕业,同年到深圳大学工作, 现任材料科学与工程系主任。中国物理学会X射线粉末衍射专业委员会委员,广东省测试分析协会理事,深圳市地方级高层次人才。目前主要从事单晶生长、热电材料、晶体结构等方面的研究。先后主持及参与完成多项国家自然科学基金项目及深圳市项目,在Script. Mater., Nano Energy, J. Alloy Comp.等发表SCI收录论文100余篇,发明专利3项。

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敖伟琴 副研究员 2003年中南大学材料专业硕士,2004年至深圳大学工作,主要从事热力学计算、热电材料等方面的研究。主持参与完成多项国家自然科学基金及深圳市项目。在J. Alloy Comp.,Script. Mater., Acta Mater.等发表SCI收录论文40余篇,发明专利3项。

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张朝华 副教授2013年北京大学物理化学专业博士毕业,2013年至2017年新加坡南洋理工大学博士后,2017年6月在深圳大学工作,深圳市孔雀计划人才。主要从事热电材料、二维材料等方面的研究工作。在Nature Comm., Adv. Mater., Nano Energy等发表SCI收录论文20余篇。

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李煜 讲师2013年香港城市大学物理与材料科学博士毕业后至深圳大学工作,深圳市孔雀计划人才,主要从事材料的第一性原理计算,主持国家及广东省自然科学基金项目各1项,深圳市海外高层次人才项目1项,在Nanoscale,J. Mater. Chem.,Appl. Phys. Lett.等发表SCI收录论文20余篇。

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韩翠平 副研究员 2015年清华大学材料科学与工程专业博士毕业,2015-2017年香港中文大学博士后(香江学者计划),2017年12月至深圳大学工作,深圳市孔雀计划人才。主要从事锂离子电池、超级电容器等储能器件的研究工作。在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A等发表SCI收录论文20余篇。


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