【材料】穩定的氧化釩超級電容器電極材料

2021-01-16 X-MOL資訊

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綠色能源的開發和利用是目前能源研究領域的重點。絕大部分綠色能源（如太陽能和風能）因在時間和空間上的不均勻分布，需要可靠的能量存儲裝置以提供其利用的可能性。超級電容器是一種儲能器件，可用於存儲由各種清潔能源轉化得到的電能。其主要特點是充放電速度快、循環壽命長、清潔環保等。組成電容器的兩個電極的性能很大程度上決定了整個電容器能夠存儲的電量（電容值）。氧化釩因價格低廉、易於製備以及具有很高的理論電容值一直備受科學界的關注。然而氧化釩自身的不穩定性嚴重製約了其商業化應用。研究表明該不穩定性主要有兩點原因：其一，長時間的充放電循環使氧化釩持續形變（膨脹收縮），最終造成結構坍塌或粉化；其二，氧化釩在水性電解質中持續充放電會緩慢形成水溶性的釩氧離子。兩者均會導致氧化釩在工作時逐漸流失，使得氧化釩超級電容器器件性能不斷衰減。如何同時克服上述兩個缺點，製備性能穩定的氧化釩超級電容器電極一直是材料和能源研究領域面臨的挑戰。


近日，東北大學的劉曉霞教授課題組和美國加州大學聖克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）的李軼（Yat Li）副教授課題組合作製備得到極穩定的氧化釩超級電容器電極。他們採用高效可控的電化學技術將混合價態的氧化釩納米線沉積在部分剝離的碳纖維上（下圖），相關工作近期發表在Small 上。


穩定性測試表明這一剝離碳纖維/混合價態氧化釩納米線複合電極在十萬次充放電後沒有觀察到性能衰減，其極高的穩定性遠遠優於目前已知的其他氧化釩超級電容器電極。結構、元素表徵以及對照組實驗表明，部分剝離碳纖維外層的疏鬆結構可以有效緩衝氧化釩在充放電時產生的形變應力，從而減小形變應力對氧化釩結構的損壞，防止材料的坍塌。而電化學還原引入的四價釩因具有熱力學穩定性以及四價釩氧化物VO2在中性電解質中不溶於水的特性，有效抑制了水溶性釩氧離子的生成，並防止氧化釩在使用過程中流失。


此外，該工作還探究了氧化釩電極在長時間穩定性測試中的活化機理（下圖黑色和紅色數據點初始的上升階段）。文章指出，電極活化可歸因於兩個主要因素：1）結構水的富集撐大了氧化釩層間距，使得電解液中離子嵌入和脫嵌變得容易；2）氧化釩納米線薄膜表面出現裂隙，增大了電極材料與電解質中離子的接觸表面積。

本文展示了一種全新的電化學法製備極穩定的氧化釩超級電容器電極。通過優化V4+/V5+的比例以及將氧化釩與部分剝離碳纖維複合，氧化釩超級電容器電極的穩定性被提高到歷史新高度：100000次充放電循環後沒有任何性能衰減。該電化學處理方法簡便快捷，無需任何表面保護材料，同時解決了氧化釩結構坍塌和化學溶解的兩大問題。該工作為氧化釩在能量存儲器件中的廣泛應用奠定了堅實的基礎。


該論文作者為：Yu Song, Tianyu Liu, Bin Yao, Tianyi Kou, Dongyang Feng, Xiaoxia Liu, Yat Li

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

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

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


導師介紹

劉曉霞

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

李軼

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


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