熱烈祝賀團(tuán)隊(duì)黃俊博士AFM綜述：超級(jí)電容器電極材料從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化應(yīng)用的設(shè)計(jì)策略與挑戰(zhàn)
在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，能源利用正經(jīng)歷著以電力為主要能源的快速而大的轉(zhuǎn)變。隨著便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品、電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增加，電能的可逆存儲(chǔ)和釋放已成為不可或缺的技術(shù)。如今，鋰離子電池以卓越的比能量主導(dǎo)著市場(chǎng)，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)流行。然而，由于充放電過(guò)程中體積變化、相變和擴(kuò)散速率的固有限制，電池一直存在壽命短和充電速率慢的技術(shù)難題。此外，電池的比能量隨著尺寸的增大而迅速減小，這限制了微型電池在為可穿戴和微型電子設(shè)備供電方面的應(yīng)用。
超級(jí)電容器具有與電池互補(bǔ)的電性能，是另一種重要的儲(chǔ)能系統(tǒng)。它們可以提供比電池高得多的功率密度，但其比能量較低，工作時(shí)間從幾十秒到幾分鐘不等。1971年，日本電氣公司（NEC）開發(fā)了第一個(gè)商用超級(jí)電容器作為節(jié)能系統(tǒng)。超級(jí)電容器本質(zhì)上通過(guò)靜電或法拉第存儲(chǔ)電荷，在工作過(guò)程中幾乎不會(huì)導(dǎo)致電極的體積變化，從而具有較長(zhǎng)的壽命（>106次充放電循環(huán)）和快速的充電速率。這些優(yōu)點(diǎn)使它們?cè)谖⑿推骷?、電力電子、模塊和大型設(shè)備中的應(yīng)用非常有價(jià)值。此外，它們不僅可以用于電力傳輸，還可以用于能量收集，這是電池系統(tǒng)無(wú)法比擬的。超級(jí)電容器還可以應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、節(jié)能裝置、頻率調(diào)節(jié)等，設(shè)備的最終重量可能達(dá)到幾噸。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池在發(fā)射或接收功率方面變得較弱時(shí)，超級(jí)電容器通常與電池一起用于短期能量傳輸和收集。盡管受到新冠肺炎的影響，全球超級(jí)電容器市場(chǎng)仍在持續(xù)增長(zhǎng)。特別是亞太地區(qū)在未來(lái)幾年有著巨大的市場(chǎng)貢獻(xiàn)，而北美和歐洲也占據(jù)著較高的市場(chǎng)份額。
在過(guò)去的幾十年里，大量的研究工作集中于如何在不犧牲超級(jí)電容器優(yōu)異的功率密度和循環(huán)壽命的前提下提高其能量密度，使其接近甚至超越電池。然而，實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際應(yīng)用之間的巨大差距嚴(yán)重阻礙了高性能超級(jí)電容器的進(jìn)一步應(yīng)用，尤其是電極材料的設(shè)計(jì)與規(guī)模化制備技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室制造的超級(jí)電容器和商用超級(jí)電容器各部件的成分和電化學(xué)性能都非常不同。通常，商業(yè)超級(jí)電容器的能量密度和功率密度可以通過(guò)直接計(jì)算器件的重量或體積來(lái)量化。但實(shí)驗(yàn)室研究中報(bào)道的性能，將電化學(xué)惰性材料（例如，電解質(zhì)、集流體和包裝材料）的貢獻(xiàn)降至最低，導(dǎo)致報(bào)道的性能指標(biāo)對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)基本是無(wú)意義的。將基于電極材料的性能擴(kuò)展到完全封裝的器件可能會(huì)導(dǎo)致不真實(shí)的性能指標(biāo)，從而傳遞錯(cuò)誤的信息。
基于此，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院謝海波教授、黃俊特聘教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials (影響因子:19.924)發(fā)表題為“Rational Design of Electrode Materials for Advanced Supercapacitors: From Lab Research to Commercialization”的綜述論文。從電極材料角度出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了超級(jí)電容器從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素，并總結(jié)了超級(jí)電容器領(lǐng)域在能量存儲(chǔ)機(jī)制、高效超級(jí)電容器的構(gòu)筑方法、商業(yè)級(jí)負(fù)載和高填充密度電極的制備策略、超級(jí)電容器集成系統(tǒng)和商業(yè)超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展。此外，還分析和總結(jié)了將實(shí)驗(yàn)室高性能超級(jí)電容器推向?qū)嶋H應(yīng)用仍然需要解決的難題與挑戰(zhàn)。
該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52203083）及貴州省科技廳(批準(zhǔn)號(hào): ZK[2016]1402);平臺(tái)與人才建設(shè)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào) [2016]5652; [2017]5788; [2018]5781;[2019] 5607);貴州大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): [2017]08)的資助。原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213095
圖文：黃俊