随着电动汽车、清洁能源存储及便携式电子产品的急剧发展 ，开发与之相匹配的兼具高能量、高功率、长命命的电化学储能器件成为目前的火急需要。超等电容器又称电化学电容器 ，是目前最沉要的储能装置之一 ，其数秒内的急剧充放电、上万次的循环寿命、百分之百的充放电效能及高的安全性是锂离子电池等二次电池所无法比力的。但低的能量密度限度了超等电容器在消费电子、电动汽车、智能电网、清洁能源等领域的进一步利用。若何在维持超等电容器高功率、长命命的前提下提高其能量密度是当前亟待解决的问题。
通过钻研各类碳基超等电容器中电极资料的电位随充放电过程的变动法规 ，中国科学院金属钻研所沈阳资料科学国度(结合)尝试室先进炭资料钻研部的科研人员发现造成超等电容器低能量密度的本原之一是组装成器件后正、负电极无法在最优的电位窗口下工作 ，因而能量密度很低。为相识决这一问题 ，他们提出了选取电化学电荷注入(ECI)来扭转电极资料的表表电化学结构 ，从而调控正、负电极资料的电化学电位到最佳初始电位的步骤 ，如图1a所示。将调控后的正、负电极组装成超等电容器 ，如图1b, c所示 ，正负极在充电过程中同时达到电解液可用电位的高低限 ，极大地提高了超等电容器的工作电压和比容量。由于超等电容器所贮存的能量与工作电压和活性资料的容量成正比 ，因而其能量密度大大增长 ，如图1d所示。该步骤拥有普适性 ，目前已经在多种碳基超等电容器上验证有效。出格是以石墨烯作为活性资料的石墨烯锂离子超等电容器在调控后 ，不仅维持了超等电容器的高功率个性 ，并且能量密度超过镍氢电池并靠近锂离子电池水平 ，展示出极大的利用远景。有关钻研了局在《利用化学》(Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52, 3722-3726)上颁发 ，并被该杂志选为“Hot Paper”。
然而 ，对于石墨烯锂离子超等电容器而言 ，陪伴着能量密度的大幅提高 ，随之而来的是其循环使用寿命的降落(1000次循环衰减25%)。通过监控和分析正负极的工作区间发现 ，正电极和电解液在1.5V-1.0V(vs. Li/Li+)区间持续的副反映导致了低的循环寿命。为相识决这一问题 ，选取电化学预包覆的步骤(PEC)通过二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的分化在正电极表表预先包覆一层纳米尺度的；げ ，如图2a所示 ，该；げ阌涤械缱泳刀胱拥纪ǖ母鲂 ，因而不仅能够断绝活性资料与电解液的直接接触分化 ，并且能够保障电极中高的离子扩散和传输。图2b为通常石墨烯锂离子超等电容器和选取PEC处置石墨烯正极的锂离子超等电容器的组装示意图。与通常的石墨烯锂离子超等电容器相比 ，选取PEC处置石墨烯正极的锂离子超等电容器不仅展示出优异的能量密度和高的功率个性(图2c) ，并且循环不变性更佳(每次循环衰减量仅为0.011%) ，如图2d所示。有关了局被《先进能源资料》(Advanced Energy Materials, 2015, DOI: 10.1002/aenm.201502064)接管颁发。
同时 ，若何设计实用化的电芯结构来实现上述锂离子超等电容器技术同样至关沉要。为此提出了锂离子超等电容器的智能电芯设计思路。在组字离子超等电容器的同时 ，基于该设计开发出一系列智能职能 ，如图3所示。相迸宗传统的超等电容器电芯(图3a) ，智能电芯引入了锂电极和两个电压传感器(图3b)。其智能职能示意图如图3c所示 ，(1)提升能量密度：锂电极作为电压调节器可在电芯中有效地实现电位调控 ，获得高能量密度 ，如图3d所示。(2)安全监控：内置的电压传感器V1和V2实时监控正负极的工作状态 ，可提高电芯的安全性 ，如图3e所示 ，倒佚极工作电位超过电解液的安全区间 ，V2即自动报警 ，器件服役终止 ，从而能够有效阻止安全隐患的产生。(3)容量自复原：对于存在安全隐患的电芯 ，能够通过锂电极电压调节器来有效地实现自建复 ，如图3f所示 ，经过自建复的电芯(SLIC-R)能够正常工作和使用。故该技术预防了废旧电芯处置带来的资源和环境问题。有关了局在《能源贮存资料》(Energy Storage Materials, 2015, 1, 146-151)上颁发。
近年来 ，先进炭资料钻研部在高能量密度超等电容器用碳资料及器件设计方面发展了一系列工作 ，出格是受邀为《能源贮存资料》(Energy Storage Materials)撰写了该领域发展的瞻望性论文 ，有关了局受到国内表同业的关注。上述工作得到了国度纳米沉大钻研打算、国度天然科学基金委及中科院战术先导项目等的大力支持。
图1 (a)电位调控和通过电位调控提高明等电容器能量密度的道理示意图;(b)未调控的石墨烯锂离子超等电容器的电化学个性;(c)调控后的石墨烯锂离子超等电容器的电化学个性;(d)各类碳基锂离子超等电容器的能量密度-功率密度图。
图2 (a)电化学预包覆(PEC)步骤道理示意图;(b)石墨烯锂离子超等电容器(GLISC)和选取PEC处置石墨烯正极的锂离子超等电容器(A-GLISC)的结构示意图;(c)PEC包覆后的石墨烯锂离子超等电容器的能量密度-功率密度图;(d)PEC包覆后的石墨烯锂离子超等电容器的循环寿命及库伦效能。
图3 (a)通常超等电容器的结构示意图;(b)智能锂离子超等电容器的结构示意图及实物照片;(c)智能锂离子超等电容器的职能道理示意图;(d, e, f)智能职能: (d)对锂离子超等电容器进行电位优化 ，以提高能量密度;(e)对锂离子超等电容器进行安全监控;(f)锂离子超等电容器的容量自复原。
