成會明院士談超級電容器性能

2020-12-06 騰訊網

中國科學院金屬研究所成會明院士、新南威爾斯大學王大偉副教授和天津大學楊全紅教授等學者澄清了目前關於量化超級電容器性能指標存在的問題。在本報導中，成會明院士講述了存在的問題以及如何解決這些問題。

什麼指標對評估超級電容器的性能很重要？

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從歷史角度上看，超級電容器的性能一直基於質量來評估的（F g–1或Wh kg–1）。這是評估超級電容器性能的最基本和最重要指標。為確定特定電極材料或系統在有限空間內的實用潛力，體積性能指標（F cm–3或Wh L–1）應與質量度量同等重要。由於超級電容器的體積能量密度和功率性能（W L–1）與電極的厚度、孔隙率、面積質量負載和工作電壓窗口密切相關，所以應該提供這些所有參數以準確評估超級電容器的性能。

與超級電容器計算和使用有關的挑戰是什麼？

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體積電容通常由材料密度和質量電容轉換而來，但材料密度是可以任意選擇的。材料的已知密度通常與電極中使用相同材料的密度不同。這是由於在電極加工過程（如溶劑混合、塗布、乾燥和壓延）中形成了一次和二次粒子。這種任意的誤差有時確實會導致高估材料的體積電容。

此外，含有相同活性物質的各種電極的體積電容也因電極加工而不同。例如，電極孔隙率、壓縮力和非活性添加劑（如粘結劑和炭黑）百分比都會對最終體積性能產生影響。

孔結構對超級電容器的性能也起著至關重要的作用。材料的比表面積、孔徑分布、孔隙體積和密度通常用N2吸-脫附等溫曲線來表徵。不幸的是，當材料含有超大的大孔、粒子間的空隙和超小的微孔時，這種技術很難提供可靠的結果。

如何克服這些挑戰？

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缺乏通用的評級標準可能無法提供可靠的比較，並揭示容量性能的真正差異。使用不同標準得到的度量在某種程度上鼓勵了許多聲稱「卓越（Superior）」容量性能的報告，其中有些報告令人困惑甚至無效。因此，我們迫切需要建立一個能夠被廣泛接受的統一標準，對學術和工業探究都是有價值的。

在此背景下，我們（三位長期從事這一領域工作的科學家）提出了一種基於材料、電極和器件三種層級的超級電容器容量性能三級評價體系。希望這一建議對整個儲能研究界具有一定的參考價值。

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