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二维纳米材料超电容器件

文章来源:北科新材 浏览次数:4464时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

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图1. 储能器件中,二维纳米材料形貌对离子传输性能的影响


图2. 二维材料复合结构增强电容器性能


图3. 基于二维材料的超级电容器配置


一、主要内容

二、用于电容式储能器件的二维纳米材料分类

2.1 石墨烯

自从2008年,Rao和Ruoff等人将石墨烯用于超级电容器以来,研究人员通过对石墨烯进行晶格结构、形貌、化学处理等改性,使得石墨烯基超级电容器的储能性能得到大大提高。完美的平面石墨烯具有较低的电容,开放式的多孔和弯曲形貌的石墨烯有利于提高离子传输性能,从而提高能量和功率密度。缺陷和掺杂有效提高了石墨烯的量子电容。

优势:

1)高理论比表面积。2630 m2 g-2

2)优异的电学性能。


特点:

1)容易团聚:π-π相互作用,导致相互接触的石墨烯层容易发生聚集和团聚。

2)离子和电子传导性:具有SP2结构的碳晶格扰乱会导致电学性能降低。

3)层数:石墨烯的各种优异性能和石墨烯层数重大相关


图4. PECVD制备的石墨烯及其超级电容器性能

2.2 二维金属氧化物


优势:


1)氧化还原活性有效提高电容值。

2)高比重使得其具有比石墨烯更高的体积比电容,即便是在重量比电容相同的情况下。


缺点:


导电性较差。大部分金属氧化物都是绝缘体或半导体,导电性较差限制了其储能能力,尤其是在高放电速率条件下。


改进办法:

缺陷、非化学计量法以及与其他二维材料的复合可以提高导电性,形貌和纹理的设计、电极构筑等方法提高离子传导性能。


主要材料:

Ru氧化物、Mn氧化物, 、Mo氧化物为主;以及其他Co3O4, NiCo2O4, TiO2-B, TiO2-anatase, Fe3O4.等。


图5. 二维钌酸纳米片及其超级电容器性能

2.3 二维过渡金属二硫属化物


代表材料:MoS2特点:亚稳态的2H(半导体相)、1T相(金属相),以及稳定的3R混合相。


图6. 二维1T-MoS2及其超级电容器性能

2.4 二维金属碳化物(MXenes)


代表材料:Ti3C2Tx特点:金属导电性、亲水性、离子嵌入能力


图7. Ti3C2Tx及其超级电容器性能

表1. 各种二维材料电化学性能汇总


三、电容性能的主要制约条件和影响因素

制约条件:团聚和低导电性


影响因素:纳米片层材料的组成;形貌和材质;电极构筑;器件配置

通过复合和多级次的2D、3D结构构筑,将纳米片隔离开来,避免团聚。空间阻隔材料包括:其他的0-2维材料。同时,复合材料之间的协同效应也有助于电化学性能的进一步提高。


图8. δ-MnO2/rGO复合材料

四、超级电容器的微型化和柔性化

主要包括:基于还原氧化石墨烯的微型超级电容器;基于其他无机二维材料微型超级电容器;基于二维材料的柔性、自支撑膜超级电容器;透明柔性电极等


图9. 激光剥蚀制备的微型超级电容器及其电化学性能

五、规模化、廉价的电极制备技术


1. 激光剥蚀生产

2. 印刷生产

3. 卷轴式生产


图10. 喷墨打印方法

六、挑战与策略

1. 二维纳米片的尺寸和厚度控制

2. 化学和电化学稳定性

3. 电极薄膜的规模化制备


 

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