电介质储能薄膜的研究现状及提高储能密度的方法

随着能源危机和环境污染问题的日益突出,新能源的研发是当前人们密切关注的重要研究领域之一。除新能源的收集外,能量的存储也日益受到人们的重视。常见的储能器件有电池、燃料电池、超级电容器和电介质电容器等。其中电池和燃料电池的能量密度高,但功率密度低;传统电介质电容器的功率密度高,但储能密度低;超级电容器的功率密度和能量密度介于电池和传统电容器之间。电介质电容器具有介电常数高、介电损耗低、功率密度高、充/放电速度快、工作电压/电流大、可靠性好、温度稳定性好等优点,已经被应用于脉冲功率器件领域。双轴拉伸聚丙烯(BOPP)已经实现了商业化应用。但电介质电容器固有的储能密度较低,限制了其应用范围。如何提高电容器的储能密度成为亟待解决的一个关键问题,也是目前人们研究的重点。与块体材料相比,薄膜电容器的耐压强度高,因此其储能密度高。本文的关注点就是无机储能薄膜的研究现状及提高其储能密度的方法。目前已经对储能薄膜开展了大量的研究,其结构体系有很多,如钙钛矿结构、铋层状结构、焦绿石结构、单金属氧化物薄膜等。其中钙钛矿结构薄膜是研究最早、最多的一类。目前,用磁控溅射或激光脉冲沉积制备的无铅钙钛矿结构薄膜的储能密度达100 J/cm~3以上。然而,由于薄膜制备方法多、工艺复杂,会产生很多因素影响其性能,特别是储能密度。薄膜工艺的可重复性和性能的稳定性是非常重要的。综合文献资料可知,提高储能密度的方法主要有:(1)元素掺杂或多相复合形成固溶体,可以提高极化和耐压强度,从而提高储能密度,该方法是一种比较简单易行的常见方法;(2)制备工艺的改进也可以提高薄膜的储能密度,改进的方法有退火工艺、局域场工程、取向、应力、电极等方面的调控;(3)叠层结构等异质结构界面调控是近年来兴起的一种提高薄膜储能密度的方法,已取得明显效果。本文概述了评价电介质储能特性的主要参数,简要介绍了电介质的分类,归纳了钙钛矿结构、焦绿石结构、氧化物结构等几类储能薄膜的研究现状,分析总结了提高薄膜储能密度的方法,最后对无机储能薄膜的发展趋势进行了展望,以期对无机储能薄膜的研发提供一定的参考。     

高储能陶瓷/聚偏氟乙烯复合电介质的研究进展

介电电容器作为间歇产生的可持续能源的高效存储转换设备,在新能源领域发挥着不可替代的作用。而电介质电容器的核心是具有高储能密度的电介质材料。聚合物电介质材料由于具有击穿场强高、放电速度快、能长时间使用并可自修复等特点,成为高性能电容器的潜力候选材料,但聚合物本身较低的介电常数限制了其储能密度。通过将具有高介电常数的陶瓷填料与聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物复合,制备新型陶瓷/PVDF复合电介质,在提高电介质材料的介电性能和储能密度方面取得了重要进展。本文介绍了电介质材料的基本原理,综述了不同类型的陶瓷/PVDF复合电介质的结构、储能机制及介电储能性能,并对其未来发展趋势进行了展望。      

高储能密度聚合物基多层复合电介质的研究进展

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件,受限于薄膜介质材料的介电常数偏低,当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度,即可释放电能密度),从而导致薄膜电容器体积偏大,应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合,制备聚合物/陶瓷复合电介质,是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质,其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升,限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾,研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜,制备了2-2型多层复合电介质,能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明,调控多层复合电介质的介观结构与微观结构,可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制,并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。     

RuO2·xH2O/AC复合电极及混合型超级电容器的性能研究

用Sol-Gel法制备RuO2·xH2O,并进一步制备了RuO2·xH2O/活性碳复合电极.针对超级电容器单元工作电压低的问题,研制了一种混合型超级电容器.该电容器是由金属钽阳极、Ta2O5阳极电介质、38wt%的硫酸电解质溶液和RuO2·xH2O/AC阴极组成.组装的超级电容器样品的参数为50V、2.1mF,储能密度为1.48J/cm3.实验结果表明,该电容器具有较高的储能密度和良好的阻抗特性,可以满足脉冲功率技术的要求.     

MXene材料的纳米工程及其作为超级电容器电极材料的研究进展

温室气体的过量排放对全球气候产生严重不良影响,如何减少碳排放已成为全球性议题。超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、碳排放量相对较低的优点。大力发展超级电容器储能是建立未来能源系统的可靠和有效措施。MXene材料具有优良的亲水性、电导率、高电化学稳定性和表面化学可调性,近年来在超级电容器储能应用研究领域广受关注,但MXene严重的自堆叠问题限制了其储能性能充分发挥,开发更先进的MXene材料对于下一代高性能电化学储能设备至关重要。基于此,本文综述了MXene材料在超级电容器储能应用领域的研究进展,介绍了MXene的结构和储能特性,探讨了MXene的储能机理,重点剖析了纳米工程改进MXene电极性能的结构设计,详细总结了MXene复合材料构效关系和在超级电容器应用方面的最新研究进展,最后提出了MXene材料用作超级电容器电极的研究方向和发展趋势。     

高储能密度玻璃陶瓷材料的研究进展

介绍了电介质材料储能密度的概念,综述了陶瓷及玻璃陶瓷用于储能介质材料的研究进展,重点分析了影响介质材料储能密度的若干因素,展望了玻璃陶瓷电容器在军事、混合动力汽车及生物医学上的应用前景,指出了今后高储能密度介质材料的发展方向。     

超级电容器电极材料研究进展

作为一种介于电池和传统电容器之间的新型储能装置,超级电容器在性能方面很大程度上缩小了两者之间的差距。总结了适用于超级电容器的各种电极材料,按照储能机理的差异对其进行分类,总结了不同类型超级电容器的最新研究成果,并举例说明了不同类型超级电容器的优缺点。     

超级电容器复合电极材料的研究进展

超级电容器作为一种新型的储能元件,具有高功率密度和高循环寿命等优点,在许多领域特别是混合电动汽车领域具有广阔的应用前景.而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一,高性能电极材料的合成和优化是目前超级电容器研究的重点.综述了超级电容器的储能原理、超级电容器复合电极材料的制备、性能、以及发展方向.     

超级电容器电极材料及电解液的研究进展

为应对环境污染造成的气候变化,中国提出碳达峰、碳中和目标。为实现这一目标,有必要使用新工艺、新设备来改善传统能源造成的温室气体排放。作为介于传统电容器和化学电源之间的一种新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、温度范围宽和绿色安全等优点,已经广泛应用到电子设备、智慧电网和储能等领域,有效地起到了碳减排作用。电极材料和电解液是构成超级电容器的主要组成部分,也是影响超级电容器性能的关键因素。综述了超级电容器在电极材料及电解液方面的研究进展,并详细介绍了对它们的优缺点,展望了其未来发展趋势。     

消息报道

合肥研究院在超高储能密度超级电容器研制方面取得进展 近日,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员王振洋团队实现了宏观厚度石墨烯晶体膜大面积制备,在超高储能密度超级电容器研制方面取得进展。研究人员采用激光诱导加工法,将聚酰亚胺前驱体直接原位转化为石墨烯晶体膜;针对其直接用作储能电极时所面临的体积效应技术瓶颈,通过优化前驱体的分子构型和热敏感性,大幅增加了激光与聚合物薄膜的作用深度,进而实现了多孔石墨烯晶体膜的宏观厚度制备;以此作为电极构筑的超级电容器,在储能密度和循环稳定性方面得到显著提升。