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前沿技术]一文读懂钠离子电容器

发布时间:2022-05-08 01:10:53 来源:ROR体育官网app下载 作者:ror体育





  钠离子电容器(SICs)设计用于提供高能量密度、快速能量传输和长寿命,尽管钠源丰富,但其性能与锂离子电容器(LICs)相当,因此受到了广泛关注。传统的SICs设计基于类电池阳极和电容阴极,其中类电池阳极材料涉及插入反应、合金化反应和转化反应等多种反应,而电容阴极材料通常依赖于活性炭(AC)。然而,近年来,研究人员试图构建基于电池式阴极和电容式阳极或两者结合的SICs。综述了SICs的储能机理和材料设计策略,重点介绍了从无机材料到有机材料的电池类阳极材料。此外,还讨论了SICs制备中面临的挑战和未来的研究方向。

  第一个混合离子电容器由Amatucci等人于2001年建造,其中纳米结构Li 4 Ti 5 O 12 (LTO)作为阳极,活性炭(AC)作为阴极,称为锂离子电容器(LIC)。 然而,锂资源的稀缺和减少导致锂化合物的成本急剧上升。幸运的是,丰富的钠源和合理的氧化还原电位(Na/Na+=-2.7V)使构建基于钠离子的混合离子电容器成为可能。2012年设计了第一台钠离子电容器(SIC),V 2 O 5 /CNT复合材料作为阳极,AC作为阴极。组装后的SIC电池电压为2.8V,其最大能量密度为∼40 Wh kg –1 。

  钠离子电容器的结构组成与锂离子电容器类似,其中采用低放电电位的电池型储钠电极作为负极,具有高电压充放电行为的双电层活性炭作为正极,再配以耐高压的有机钠盐为电解液,隔膜可与钠离子电池通用,如玻璃纤维等。

  钠离子电容器在充电过程中,自由电子经外电路传导,从正极流向负极,同时电解液中的钠离子嵌入负极材料,电解液中的阴离子向正极表面移动并形成双电层,实现了能量的存储。而在放电过程中,阴离子从正极表面脱附,钠离子也从负极材料中脱嵌,从而释放出能量。钠离子电容器的电压分布与传统电池和不对称电容器均不相同。

  钠离子电容器基于不同储能机理的电极材料,主要分为六个部分:电容型阴极,赝电容型阴极,电池型阴极,电容型阳极,赝电容型阳极和电池型阳极。

  碳材料 由于碳基材料资源广泛、结 构 稳 定、导 电 性 好、价 格 低 廉 且 结构可调控等优点近些年来成为钠离子电池中研究最为广泛 的一种负极材料。具有层状结构的碳基材料或具有不同钠 离子存储机制的硬碳材料在用作 SIC 的负极材料时表现出良 好的性能。碳材料的缺点主要存在于能量密度低,充 放 电 时 体 积膨胀大。因此对于碳材料的处理主要有形貌控制、表 面 修 饰 以及分层多孔结构的设计这三种。

  钛基 化 合 物 包 括 TiO 2 、NaTi 3 O 7 以 及 NASICON 型 NaTi 2 (PO 4 ) 3 等材料。因为钠离子可以在这些材料的层间自由的进行嵌入/脱出,以及材料固有的安全优势,所 制 备 的 负 极 材料组装的器件具有优异的循环稳定性和倍率性能。

  过渡金属(W、Fe、Mo、V、Nb等)化合物能够使钠离子较容 易的插层以及传输,该材料可以提供大量的赝电容。过 渡 金 属 硫化物具有层 状 结 构、大晶面间距以及高的理论比容量, 二维过渡金属碳化物(MXene)具有高的金属导电性、亲 水 表 面 以及良好的机械 稳 定 性。这些优点使过渡金属氧化物成 为钠离子电容器负极材料的研究热点。

  MXene作为一个新兴的二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物家族,在许多领域引起了科研人员的广泛关注。钠离子混合电容器作为一种新兴储能体系,具有低成本、高安全、长寿命等优势,在大规模储能等应用中前景广阔。MXene作为储钠电极也表现出一定的潜力。将MXene纳米片低温组装成三维(3D)稳定的气凝胶,可以解决制造过程中关键的稳定性问题,这对于将纳米尺度的特性转化为实际应用的宏观尺度至关重要。

  钒基聚阴离子型化合物,如钒基磷酸盐Na 3 V 2 (PO4) 3 、VOPO 4 、NaVOPO 4 ,钒基氟磷酸盐NaVPO 4 F、Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 、Na 3 (VOx) 2 (PO 4 ) 2 F 3-2x ,焦磷酸盐等具有能量密度高、功率密度高、稳定性好等潜在优点成为近年的研究热点之一。和其他聚阴离子型化合物一样,其本征电子电导率较低,同时由于制备方法不当等带来的体相电子和离子传递阻力较大等缺陷,限制了材料的实际比容量、倍率性能及稳定性等。

  1、首先,寻找具有快速电化学动力学和高容量的钠离子电极材料对于碳基材料至关重要,因为碳基材料具有丰富的资源、良好的化学稳定性和优异的导电性,阳极和阴极都是很有希望的候选材料。

  可采用各种策略,包括形貌设计、多孔结构修饰和杂原子掺杂,以增强电池型电极的氧化还原动力学和电容电极的电容,最终实现高能量和高功率密度。

  2、合理设计电极结构也非常重要。例如,3D结构电极可以提供导电和离子迁移的路径,以及在充电/放电过程中缓解电极应变的空隙。此外,使用3D结构电极可以在不使用额外集电器和粘合剂的情况下制造NIC设备,并降低开发可应用于可穿戴电子设备的柔性设备的复杂性。

  3、最后至关重要的是,电解液仍然需要优化,以确保安全性并提高NIC的性能。特别是,水性储能装置具有低成本、高安全性和高功率密度的巨大优势。

  上海奥威科技开发有限公司成立于1998年,总部位于国家级高科技园区——上海市张江高科技园区,专业从事双电层电容器及超级电容器的开发、生产和销售,是一个由专家、学者和技术人员组成的产、学、研一体化企业,共有员工160人,高学历技术人员占30%以上。

  上海奥威科技开发有限公司一直在做钠离子电容器的研发工作,该项工作也是奥威科技2021年计划的前瞻研发的重要内容。

  中科瑞能实业有限公司成立于2017年3月,公司依托于中国科学院深圳先进技术研究院,是一家国家高校技术支持、产学研联合,专门从事新型离子电池的研发、生产加工的高新技术企业。

  中科瑞能秉承“与员工双赢,与社会双赢”的宗旨,为员工提供广阔的发展和晋升空间,进而实现以团队力量、创新精神、规范管理,成为行业一流企业的目标。公司目前有钠离子电容器的专利布局。

  杭州求实新材料科技有限公司成立于2017-06-22,位于浙江省杭州市钱塘新区学源街258号中国计量大学东区逸夫科技楼12层1201室。目前已经有多篇钠离子电容器专利。

  南京时拓能源科技有限公司成立于2017-09-12,公司目前已经在锂离子电池正极材料、低温燃料电池、低温燃料电池催化剂、超级电容器及锂(钠)离子电容器设计。在钠离子电容器,已有专利布局。

  天津中电新能源研究院有限公司成立于2018-09-17。在钠离子电容器,已有专利布局。

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