碳基电极材料的电化学性能研究文献综述

 2022-09-27 14:48:40

  1. 文献综述(或调研报告):

一、引言

在环境污染严重、能源紧缺的今天,世界各国都在寻求新的绿色能源其中逐渐出现了诸多电存储设备的发明如化学电池、燃料电池、超级电容器、生物质电池等已经应用于生活生产中的电子产品。但是随着人类对生活质量要求的提高、现代社会电子设备需求的多样化,移动式电源、可穿戴设备已经成为了衔接应用升级和技术创新的关键。在此背景下柔性电子设备的发展引人瞩目。柔性电子设备是指存在一定范围的形变(弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸)条件下仍可工作的电子设备,如可弯曲显示器与触屏、射频识别标签、可穿戴传感器、可植入医疗器械等,这些设备多数情况下需要配备具有柔性电池或广义柔性储能装置功能、目前电池工业中生产的绝大多数电池都是刚性的(比如铅酸电池、软包/钢壳/18650锂离子电池),并不具备在弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸条件下工作的能力。众所周知,电池制约了许多电子产品的性能表现,智能手机中的电池已经占到了体积和质量的近1/3,用户仍然常诟病续航时间不足。传统的二次电池/电容器等储能设备无法直接用于柔性领域,主要原因有:①传统电池中使用的材料大多不具备柔性;②各种组成材料之间的接触程度比较差;③在使用过程中,变形会导致极严重的微结构的不可逆变化、器件性能衰退乃至器件失效;④活性物质的装载量低;⑤液体电解质有泄露的危险;⑥封装材料和工作环境有刚性限制。为了克服上述传统电池电容器的不足,柔性电池的制造技术必须在柔性电极、新型电解质、新型制造技术和封装技术方面持续创新。

二、超级电容器

2.1 超级电容器简介

超级电容器[1]因其充放电速度快、循环寿命长、环境污染少、节能、低成本等优点而具有广阔的应用前景,并引起了世界各国的广泛关注。高性能电极材料[2]的制备一直是超级电容器的研究重点。碳材料因其比表面积大、孔隙结构优异、化学稳定性好等优点而一直是研究热点。如碳纳米管[3, 4]、石墨烯等,因其良好的导电性、大的比表面积、可控的孔结构等优点而备受研究者的喜爱。但因其是粉末结构,在制备电极时需加粘结剂,从而使其电化学性能受限。为进一步降低生产成本,提高电活性物质利用率,寻求一种低成本、自支撑的电极材料越来越迫切。 滤纸经过碳化得到的碳纸,不仅生产成本低廉、制备简单、能大规模生产,而且保持了自支撑的结构。已有多种方法活化预处理制备高电化学性能的碳纸材料,如磷酸活化、电氧化活化、低温空气活化、化学氧化等诸多方法。

2.2 电解质

柔性电池用电解质包括液态电解质和固态电解质。液态电解质具有与固体形成良好接触界面和高离子电导的特点,现在很多柔性锂离子电池仍然使用液态电解质。但是此种电解质有随时泄露的危险而且温度稳定性不是很理想。相反固态电解质相比于液态电解质具有泄露危险小,不易短路的风险,但是仍然存在这离子导电低、电解质与电极之间结合差等问题。目前寻找具有高室温离子电导率,优良的化学稳定性和容易制备的无机固体电解质材料并使其实用化是主要研究方向。当下几类主要的固体电解质为钙钛矿材料、石榴石材料、LISICON结构材料、NASICON型、硫化物电解质、氧化物玻璃、LiPON等。这里不再一一赘述。制造超薄电池一直是LiPON电解质全固态电池的优势。基于LiPON电解质技术,Cymbet Enerchips、Infinite Power Solutions等公司已有技术比较成熟的产品,可用作智能卡、传感器、微电子与微机械系统等方面的微电源,在军事、医学、航天等高精尖领域的贡献尤为突出。但是受到技术本身特性的限制,大规模生产较为困难且价格昂贵。

2.3 制备工艺

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