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稳定的氧化钒超级电容器电极材料

绿色能源的开发和利用是目前能源研究领域的重点。绝大部分绿色能源(如太阳能和风能)因在时间和空间上的不均匀分布,需要可靠的能量存储装置以提供其利用的可能性。超级电容器是一种储能器件,可用于存储由各种清洁能源转化得到的电能。其主要特点是充放电速度快、循环寿命长、清洁环保等。组成电容器的两个电极的性能很大程度上决定了整个电容器能够存储的电量(电容值)。氧化钒因价格低廉、易于制备以及具有很高的理论电容值一直备受科学界的关注。然而氧化钒自身的不稳定性严重制约了其商业化应用。研究表明该不稳定性主要有两点原因:其一,长时间的充放电循环使氧化钒持续形变(膨胀收缩),最终造成结构坍塌或粉化;其二,氧化钒在水性电解质中持续充放电会缓慢形成水溶性的钒氧离子。两者均会导致氧化钒在工作时逐渐流失,使得氧化钒超级电容器器件性能不断衰减。如何同时克服上述两个缺点,制备性能稳定的氧化钒超级电容器电极一直是材料和能源研究领域面临的挑战。


近日,东北大学刘晓霞教授(点击查看介绍)课题组和美国加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)的李軼(Yat Li)副教授(点击查看介绍)课题组合作制备得到极稳定的氧化钒超级电容器电极。他们采用高效可控的电化学技术将混合价态的氧化钒纳米线沉积在部分剥离的碳纤维上(下图),相关工作近期发表在Small 上。


稳定性测试表明这一剥离碳纤维/混合价态氧化钒纳米线复合电极在十万次充放电后没有观察到性能衰减,其极高的稳定性远远优于目前已知的其他氧化钒超级电容器电极。结构、元素表征以及对照组实验表明,部分剥离碳纤维外层的疏松结构可以有效缓冲氧化钒在充放电时产生的形变应力,从而减小形变应力对氧化钒结构的损坏,防止材料的坍塌。而电化学还原引入的四价钒因具有热力学稳定性以及四价钒氧化物VO2在中性电解质中不溶于水的特性,有效抑制了水溶性钒氧离子的生成,并防止氧化钒在使用过程中流失。


此外,该工作还探究了氧化钒电极在长时间稳定性测试中的活化机理(下图黑色和红色数据点初始的上升阶段)。文章指出,电极活化可归因于两个主要因素:1)结构水的富集撑大了氧化钒层间距,使得电解液中离子嵌入和脱嵌变得容易;2)氧化钒纳米线薄膜表面出现裂隙,增大了电极材料与电解质中离子的接触表面积。


本文展示了一种全新的电化学法制备极稳定的氧化钒超级电容器电极。通过优化V4+/V5+的比例以及将氧化钒与部分剥离碳纤维复合,氧化钒超级电容器电极的稳定性被提高到历史新高度:100000次充放电循环后没有任何性能衰减。该电化学处理方法简便快捷,无需任何表面保护材料,同时解决了氧化钒结构坍塌和化学溶解的两大问题。该工作为氧化钒在能量存储器件中的广泛应用奠定了坚实的基础。


该论文作者为:Yu Song, Tianyu Liu, Bin Yao, Tianyi Kou, Dongyang Feng, Xiaoxia Liu, Yat Li

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Amorphous Mixed-Valence Vanadium Oxide/Exfoliated Carbon Cloth Structure Shows a Record High Cycling Stability

Small, 2017, 13, 1700067, DOI: 10.1002/smll.201700067


导师介绍

刘晓霞

http://www.x-mol.com/university/faculty/19231

李軼

http://www.x-mol.com/university/faculty/6064


X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714

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