柔性钠离子微型超级电容器具有高能量、高功率性能

近日,从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所吴忠帅研究员团队与包信和院士团队合作,让“海胆”与石墨烯结合,开发出具有高能量密度、高耐热性能的柔性钠离子微型超级电容器。

  微型传感器、微型机器人、自供电微系统等都离不开微型电化学储能器件,该器件主要是指一类电极尺寸在微米范围内的小型化电源,被认为是柔性化、微型化、智能化集成电子产品的关键电源,目前主要分为微型电池和微型超级电容器,以及近年来出现的杂化微型超级电容器。

  这三者电源有不同的特点,据介绍,微型电池具有较高的能量密度,但其功率密度较低;微型超级电容器具有较高的功率密度,但能量密度又较低;而杂化微型超级电容器则结合了微型电池的高能量密度以及微型超级电容器的高功率密度的优点,成为一种新型的微型电化学储能器件,这其中比较有代表性的就是锂离子微型超级电容器。

  锂离子微型超级电容器具有较高的能量密度和功率密度,但其大规模应用受制于金属锂的资源限制和较高的开发成本(锂的地壳丰度为0.006%)。

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柔性钠离子微型超级电容器示意图受访单位供图

  面对金属锂大规模应用困境,开发出能够代替金属锂的金属资源成为现代科学家研究的主要方向。近日,从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所吴忠帅研究员团队与包信和院士团队合作,把海胆状的钛酸钠作为负极,多孔活化石墨烯作为正极,产生绚烂的“火花”:“海胆”与石墨烯结合,开发出具有高能量密度、高耐热性能的柔性钠离子微型超级电容器。

  钠的地壳资源丰富,占比达2.74%,开发成本较为低廉,与锂的电化学性能也较为相似,因此开发出钠离子微型超级电容器具有重要的应用前景。

  中科院大连化物所研发团队将海胆状的钛酸钠作为电池型的负极,多孔活化石墨烯为电容型的正极,结合高压离子液体凝胶电解液,成功构建出柔性化钠离子微型超级电容器。他们通过电池型负极和电容型正极的有效耦合,使钠离子微型超级电容器能够在3.5伏的高压下稳定工作,高能量密度达到37.1毫瓦时/立方厘米,并形成超低的自放电速率。

  研发人员介绍,该钠离子微型超级电容器具有多方向快速离子扩散通道,极大地降低了电荷转移电阻,并显著提高了功率密度。同时,由于器件的平面几何结构和离子凝胶电解液的不可燃性,该微型器件具有良好的机械柔韧性和80℃的高温稳定性。

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