新突破:天大开发出高倍率纳米苯胺共聚物复合型电容器

中研股份2017年2月9日讯  目前,对于正极材料的研究热点主要集中在一些碳基材料上,例如活性炭,三维石墨烯等。然而,受到储能机理等因素的限制,这类材料的性能提高受到了一定的限制。

随着电动汽车、移动电子设备等技术的发展,研发新型大容量高功率的电储能器件成为当务之急。目前,主流的电储能器件为电池和电容器,他们分别具有高能量密度和高功率密度的特点。然而,这两种储能器件均不能同时满足新设备对高功率和高能量的需求。为解决这一问题,在本世纪初科学家设计出了一种新型的储能器件——复合性型电容器(hybrid supercapacitor, HSC)。HSC通常由电容性的正极和嵌锂式负极组成,这能够有效地将电池和电容器的优势结合起来,使其同时具有较高能量密度和高功率密度。其中,正极材料往往是限制HSC性能发挥的关键因素之一。

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新突破:天大开发出高倍率纳米苯胺共聚物复合型电容器

图1 复合式电容器的工作原理示意图

近日,天津大学材料学院封伟教授课题组硕士研究生高毅等人独辟蹊径,创新地将新型纳米导电聚合物作为正极材料引入到HSC储能体系中,为HSC正极材料的研发提供了新的解决方案。研究人员采用化学氧化法将苯胺与2-氨基对苯二甲酸共聚,通过调整两种单体的比例获得了具有不同微观形貌和电化学性能的共聚物材料。研究发现聚苯胺分子链上的羧基能够增强主链上电子的离域效应,同时提高了分子链间的相互作用力,从而使得材料的电化学性能得到极大改善。另一方面,特殊的一维纳米结构也有助于材料电化学性能的进一步提升。在半电池测试中,这种材料的最大放电电流达到50A/g,电化学性能优于目前报道的绝大多数碳基材料。以该材料为正极,中间相碳微球为负极组成的HSC储能器件的能量密度达到153.9 Wh/kg,换用钛酸锂作为负极材料,在26.1 Wh/kg的能量密度下相应的储能器件的功率密度达到了3011.5 W/kg,其能量密度和功率密度与目前报道的电池和电容器的性能相当。在未来的研究计划中,科研人员设想将这种材料与其他无机材料进行复合,其性能将会有巨大的提升空间。

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图2 共聚物与文献报道碳基材料的性能对比图

此外,在研究中科研人员在传统软模板法的基础上提出了一种新型的聚苯胺纳米棒的制备工艺。他们将两种单体在反应初期所形成的二聚体代替传统的有机酸作为纳米棒形成的模板,通过调控两种单体的比例,来调控材料的微观形貌,使得苯胺和2-氨基对苯二甲酸即作为聚合的单体,有起到纳米棒成型模板的作用,避免了在分子链上引入分子量较高的有机酸或其他乳化剂分子,这对提高材料的容量密度有一定的帮助。这项创新为今后的聚合物纳米材料的研究打开了思路。目前,相应的研究成果已经发表在RSC advance杂志上,DOI号:10.1039/C6RA27900G(http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/RA/C6RA27900G)

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图3 共聚物纳米棒的成型原理示意图

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