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兰州大学研究团队在电化学储能器件研究领域取得新进展

   日期:2022-05-16     来源:物理科学与技术学院    作者:傅杰财程思拓高文政    浏览:23286    
核心提示:间歇性可再生能源(如风能、太阳能和潮汐)的储存和利用对能源的可持续利用和消费具有重要意义。作为一类很有潜力的能源存储器件

间歇性可再生能源(如风能、太阳能和潮汐)的储存和利用对能源的可持续利用和消费具有重要意义。作为一类很有潜力的能源存储器件,电化学超级电容器(ESCs)因其具有功率密度高、充放电时间短和循环寿命长等优势受到了科研和工业界的广泛关注。传统意义ESCs的双电层电极材料主要通过表面控制的离子吸附/解吸机制来存储电荷,导致能量密度很低。因此,近年来研究者们一直致力于开发、研究具有表面法拉第氧化还原活性的赝电容材料(如金属氧化物、金属硫化物、导电聚合物等)。然而,在实际工作中赝电容材料通常存在原子经济性(材料利用率)低或结构稳定性差的问题,导致实际能量密度有限,循环稳定性差。

近日,兰州大学物理科学与技术学院谢二庆/傅杰财研究小组提出了一种“选择性中心电荷密度”的策略,通过ESCs电极材料的设计及物性调控,实现了电化学氧化还原活性位点从传统电极材料到电极-电解质耦合系统的扩展延伸,从而使ESCs器件的储能性能得到了大幅度提升。相关成果以题“Selective Center Charge Density Enables Conductive 2D metal-Organic frameworks with Exceptionally High Pseudocapacitance and Energy Density for Energy Storage Devices”发表在材料顶级期刊Advanced Materials,博士生程思拓、硕士生高文政为论文共同第一作者。

该研究以二维共价金属有机框架结构(c-MOFs)电极材料为模型材料,通过调控中心金属离子类型,利用其z轴方向上金属离子中心的未占据分子轨道提供的吸引给电子基团的能力,实现了典型具备氧化还原活性电解液含氧阴离子基团(如SO32-)在电极表面的稳定桥接,进而进行多级氧化还原反应。因此,这种电化学构型可以显著提高电极的赝电容贡献的同时,还可以增加氧化还原电解质的法拉第反应容量贡献,促进电化学动力学,最终实现电荷存储效率的极大提升。值得注意的是,研究中提出的 “选择中心电荷密度”方法的普适性在其他氧化还原电解质(如含氮的Fe(CN)63-)中也得到了进一步的证明。

该研究工作是该小组氧化还原电解质增强型电化学储能器件系列研究工作之一,是继提出和发展“氧化还原电解质储能器件的暂态分析方法”(Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2106996.)之后,在氧化还原电解质增强型储能器件研究方面的又一重要研究成果,将为高性能ESCs的发展提供了新的思路。

文章链接:

Situo Cheng#, Wenzheng Gao#, Zhen Cao, Yifan Yang*, Erqing Xie*, Jiecai Fu*, Selective Center Charge Density Enables Conductive 2D metal-Organic frameworks with Exceptionally High Pseudocapacitance and Energy Density for Energy Storage Devices.Adv. Mater.2022,34,e2109870.

https://doi.org/10.1002/adma.202109870

拓展阅读:

Zhenheng Sun, Jiecai Fu*, Yaxiong Zhang, Yupeng Liu, Situo Cheng, Yin Wu, Zhipeng Shao, Xiaosha Cui, Erqing Xie*, Deciphering the Electrochemical Behaviors of the Electrode‐Electrolyte Coupling toward Advanced Electrochemical Energy Storage Device. Adv. Funct. Mater.2021,32,2106996.

https://doi.org/10.1002/adfm.202106996

作者简介:

傅杰财:兰州大学物理科学与技术学院副教授,硕士生导师。主要从事高比能电化学储能器件电极材料及其储能机制的研究;基于定量/半定量电子显微学的材料序参量分析及其应用方面的研究。在Nature Synthesis、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等国际著名杂志期刊发表论文50余篇,他引2400余次,H指数18。主持中国空间物理研究院横向项目1项,主持包含国家自然科学青年基金在内的纵向项目6项。

程思拓:2021级博士研究生,本科毕业于兰州大学化学与化工学院(2018)。研究方向为:电化学能源存储器件中电极材料和结构设计、氧化还原电解质增强型电化学储能器件储能机制与应用。目前以第一作者身份在Advanced Materials、Journal of Materials Chemistry A和Chemical Engineering Journal期刊上发表论文3篇,其中发表于Chemical Engineering Journal期刊上文章被web of science列为高被引文章。以合作者身份在Advanced Functional Materials, Small等国际一流期刊发表论文10余篇。

高文政:2020级硕士研究生,本科毕业于大连海事大学。研究方向为:氧化还原电解质增强型电化学储能器件储能机制与应用。目前以共同第一作者身份在Advanced Materials发表论文1篇,申请专利1项。

 
 
 
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