基于薄液层氧化还原偶的新型超级电容器

社会的发展，对各类化学电源的输出功率的要求越来越高，以高功率输出为主要特征的超级电容器备受关注。但迄今为止的各类超级电容器均以具有巨比表面的粉末材料作电极，其反应均涉及固体电极的表面或本体变化。这类超级电容器循环寿命较差，比能量低，价格昂贵。本项目提出的基于薄液层氧化还原偶的新型超级电容器是一个新概念、新结构。其活性物质是惰性电极表面薄液层中可溶的氧化还原电对，是新的获取赝电容的方式。即将电能储存于电极表面薄液层中具有电化学活性的化学物质中，充电时，电能转换为薄液层中活性物质的化学能，放电时，液相中的化学能转化为电能，整个过程不涉及固相反应，也不涉及固相的离子传输，其比电容的大小决定于液相中活性物质的量。由于离子在液相中的扩散系数较固相中大三个数量级以上，因此该超电容器具有很高的功率密度和几乎不受限制的循环寿命，其功率密度大大高于普通电池，能量密度高于传统超电容器。

本项目提出的新型超级电容器，是基于液相中以多孔电极内外表面附近的薄液层中电化学活性物质的电极反应为主要能量存储方式，它以电极表面薄液层中的快速电化学反应为基础，是新的获取赝电容方式的超级电容器。该体系将电能储存于电极表面薄液层中具有电化学活性的化学物质，在充电过程中，电能转换为液相中活性物质的化学能，而在放电过程中，则液相中的化学能转化为电能。整个过程不涉及固相反应，也不涉及固相的离子传输，其比电容的大小与液相中的活性物质总量密切相关。这种超级电容器一方面具有高比功率、长循环寿命、低成本和高安全性，优于蓄电池；另一方面，由于它以体系中的液相氧化还原偶的电化学反应来实现能量转换，因而又比现有的超电容器具有更高的比能量。.经过几年的研究，本项目取得的主要研究成果如下：.1..提出了“薄液层”快速电化学储能新概念，整个能量转换过程不涉及固相反应，也不涉及固相的离子传输，其功率密度大大高于普通化学电源，能量密度高于传统超电容器。.2..建立薄液层反应区原理模型并对其进行了理论分析，获得了在高功率条件下的相关参数，为构建实际多孔电极体系奠定了基础。.3..考察了系列碳材料对薄液层超级电容器的影响。从多孔电极材料的石墨化程度、多孔碳电极的结构和孔径大小等方面开展了系统评价；制备了适合液相快速电化学储能的新型多孔电极。.4..研究了不同类型离子交换膜对薄液层储能体系的影响，建立了评价离子交换膜性能的方法。.5..制备了阴离子交换膜，其离子面电阻率低于1.3 Ω•cm2。隔膜对Cl-离子和SO42-离子具有理想的选择透过性能，对K+离子和VO2+离子具有理想的排斥作用。在以钒离子为活性物种的薄液层储能体系中，钒离子的渗透系数小，其迁移数明显低于Nafion阳离子交换膜大约2个数量级。.6..系统集成了基于液相储能的快速电化学体系，系统的最大比功率达4524 W/kg。.项目执行期间在国内外学术期刊发表研究论文28篇；申请国家及国际发明专利8项，其中3项已获授权；在国际会议上作主题报告和邀请报告4人次。培养8名硕士、4名博士。