新型高能量密度的水系锂电子型流体电容器

近年来,随着太阳能、风能等清洁能源的装机容量的迅速增长,适用于大规模储能的技术和器件的研发变得日益重要。 电化学电池因其较高的能量密度且对地理条件没有特殊要求而受到广泛关注。其中,液流电池是该类电池的重要代表。 但是,传统液流电池的充电较为缓慢且使用寿命有限,限制了它在电网调峰等需要快速响应的场合的应用。 另一方面,超级电容器具有极其快速的充放电能力和超长寿命,特别适用于需要快速充放电的场合。 因此,有研究者提出将超级电容器与传统液流电池结合起来得到新型半固态流体电容器。 现行流体电容器采用介孔碳球和安全、低成本的水系电解液制作浆料,以此得到的流体电容器显示出很高的功率密度, 但能量密度却受限于介孔碳球的较低的比电容(~90 F/g)以及水系电解液较低的工作电压(~0.6 V)。 因此,如何设计并制备出具有更高能量密度的新型流体电容器就成为重要问题。

最近,课题组刘昊副教授、廖立兵教授与香港中文大学物理系李泉教授合作,将锂离子电池材料引入到流体电容器中, 成功研发出一种具有高能量密度的新型水系锂离子型流体电容器。该项研究亮点包括:

  1. 将锂离子电池材料如锰酸锂作为流体电容器的正极活性材料,有效提高了正极浆料的比容量;
  2. 采用了简单的非对称型结构,将工作电压提高到1.8 V;
  3. 该锂离子型流体电容器在功率密度50 W条件下,能量密度可达23.4 Wh,是已有报道水系流体电容器能量密度之最。

图1、锂离子型流体电容器(a)原理图;(b)实物图。
图2、锂离子型流体电容器电化学性能测试(a)不同电流密度条件下充放电电压曲线;(b)不同电流密度条件下比电容及比能量图;
(c)在电流密度10 mA/cm2条件下的循环性能图;(d)与现有水系流体电容器能量密度比较图。
上述研究成果发表于国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上:Hao Liu, Libing Liao, Yi-Chun Lu, and Quan Li. High Energy Density Aqueous Li-Ion Flow Capacitor. Advanced Energy Materials.2016,1601248.[IF=15.23].