鈦酸鈉牽手石墨烯打造高能量、高功率微型電容器

柔性鈉離子微型超級(jí)電容器示意圖受訪單位供圖

把海膽狀的鈦酸鈉作為負(fù)極，多孔活化石墨烯作為正極，當(dāng)它們結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生怎樣的“火花”?記者近日從中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲悉，該所吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與包信和院士團(tuán)隊(duì)合作，讓“海膽”與石墨烯結(jié)合，開(kāi)發(fā)出具有高能量密度、高耐熱性能的柔性鈉離子微型超級(jí)電容器。

微型傳感器、微型機(jī)器人、自供電微系統(tǒng)等都離不開(kāi)微型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，該器件主要是指一類(lèi)電極尺寸在微米范圍內(nèi)的小型化電源，被認(rèn)為是柔性化、微型化、智能化集成電子產(chǎn)品的關(guān)鍵電源，目前主要分為微型電池和微型超級(jí)電容器，以及近年來(lái)出現(xiàn)的雜化微型超級(jí)電容器。

據(jù)介紹，微型電池具有較高的能量密度，但其功率密度較低;微型超級(jí)電容器具有較高的功率密度，但能量密度又較低。而雜化微型超級(jí)電容器則結(jié)合了微型電池的高能量密度以及微型超級(jí)電容器的高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型的微型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，這其中比較有代表性的就是鋰離子微型超級(jí)電容器。

鋰離子微型超級(jí)電容器具有較高的能量密度和功率密度，但其大規(guī)模應(yīng)用受制于金屬鋰的資源限制和較高的開(kāi)發(fā)成本(鋰的地殼豐度為0.006%)。與此相反，鈉的地殼資源豐富，占比達(dá)2.74%，開(kāi)發(fā)成本較為低廉，與鋰的電化學(xué)性能也較為相似，開(kāi)發(fā)出鈉離子微型超級(jí)電容器具有重要的應(yīng)用前景。

中科院大連化物所研發(fā)團(tuán)隊(duì)將海膽狀的鈦酸鈉作為電池型的負(fù)極，多孔活化石墨烯為電容型的正極，結(jié)合高壓離子液體凝膠電解液，成功構(gòu)建出柔性化鈉離子微型超級(jí)電容器。他們通過(guò)電池型負(fù)極和電容型正極的有效耦合，使鈉離子微型超級(jí)電容器能夠在3.5伏的高壓下穩(wěn)定工作，高能量密度達(dá)到37.1毫瓦時(shí)/立方厘米，并形成超低的自放電速率。

研發(fā)人員介紹，該鈉離子微型超級(jí)電容器具有多方向快速離子擴(kuò)散通道，極大地降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻，并顯著提高了功率密度。同時(shí)，由于器件的平面幾何結(jié)構(gòu)和離子凝膠電解液的不可燃性，該微型器件具有良好的機(jī)械柔韌性和80℃的高溫穩(wěn)定性。