《德国应用化学》报道我校高比能氯超级电容器设计开发
发布人: 管理员 发布时间: 2023-01-05 作者: 访问次数: 10

近日,我校化工学院李春忠教授、陈龙特聘研究员团队在水系超级电容器领域取得新进展,首次构建了基于氯氧化还原反应的呼吸式超级电容器,大幅提升了水系超级电容器的能量与功率密度。相关成果以“High Power- and Energy-Density Supercapacitors through the Chlorine Respiration Mechanism”为题发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. e202215342 (2022))。

水系超级电容器由于其较高的功率密度以及优异的循环寿命,受到了广泛的关注。然而,基于阴阳离子吸/脱附的超级电容器,能量密度远低于锂离子电池等其他电化学储能器件,这严重限制了其大规模应用。氯具有成本低廉、能量密度高以及氧化还原反应速率快的优点,非常适合于电化学储能器件应用。但是,气态氯的储存难题限制了其发展。在该研究中,受到一种水生蜥蜴的启发,研究人员采用多孔碳来储存释放充放电过程中产生的氯气。

图片说明:多孔碳作为储氯电极大幅提升能量密度

研究结果显示孔径是氯气在多孔碳材料中析出与吸附的关键参数。DFT计算结果表明,在氯离子氧化过程中,氯气的形成能随着孔径的增加而减小,当孔径大于2.03 nm时几乎相同。这也与电化学测试结果一致。孔径为3 nm的碳纳米管,其氯气析出与吸附性能远优于孔径小于2 nm的活性炭衍生物多孔碳,以及孔径约为4 nm的有序介孔碳材料(CMK3)。

图片说明:DFT计算结果表明孔径是多孔碳储氯性能的关键参数

以孔径为3 nm的碳纳米管作为储氯电极,其可以提供 39 mAh/g的比容量,循环55000次后,仍能保持98%的比容量。以其作为正极,NaTi2(PO4)3为负极的超级电容器在 257 C的倍率下可以提供33 Wh/kg的能量密度,30000次循环后,容量几乎没有衰减。而且其在50000 W/kg的高功率密度下仍然可以提供16 Wh/kg的能量密度。此外,应用金属锌作为负极时,该氯超级电容器的能量密度可进一步提高至53 Wh/kg。这些性能远优于目前商业化超级电容器。

图片说明:氯超级电容器能量密度远优于目前商业化超级电容器

该论文第一作者为硕士研究生范晓彤、黄凯博士,通讯作者为化工学院李春忠教授、陈龙特聘研究员、练成特聘研究员以及牛津大学杲祥文研究员。该工作得到了国家自然科学基金委重点项目、青年项目、上海高校特聘教授(东方学者)等经费支持。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202215342