先进电化学储能器件的原理、分析方法和材料设计

【引言】

电极纳米化和杂化设计思路被广泛应用于高性能电化学储能器件的设计。这也导致赝电容和电池材料之间电化学行为界限变得模糊。比如同一种材料，取决于晶体结构，结晶度，载流子类型和尺寸，即可以展现出电容行为，也可以展现出电池行为。因此，从电化学反应机理出发，结合电化学分析方法，深入探讨赝电容和电池材料电化学行为极其重要。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学刘继磊博士及申泽骧教授同华东理工大学江浩和李春忠教授、新加坡科技局张丽丽研究员合作，以“Advanced Energy Storage Devices: Basic Principles, Analytical Methods, and Rational Materials Design”为题在Advanced Science 撰写综述论文。从动力学和材料设计角度，深入探讨赝电容类型和机理、赝电容和电池材料电化学行为的差异及其决定因素、详细阐述相应的电化学分析方法，并提供高性能电极材料优化设计方案。

【图文导读】

图1 电化学储能器件相关机理

(a) Ragone 曲线; (b) 双电层电容、赝电容和电池电化学反应机理。

图2 典型双电层电容、赝电容和电池材料电化学行为

AC: (a) & (b); Polyaniline: (c) & (d); LiFePO₄: (e) & (f); C-V曲线。

图3 三种赝电容反应类型

(i) 欠电位沉积; (ii) 氧化还原赝电容; (iii) 插入赝电容。

图4 赝电容CV曲线中的临界扫描速率

(a) 理想的双电池电容； (b)-(d) 不同扫描速率下, 赝电容氧化还原峰分离演变。

图5 典型赝电容材料实例展示

CV曲线-扫描速率关系图：(a) 水合 RuO₂; (b) MnO₂; (c) Polyaniline; (d) Mxene Ti₃C₂T_x.

图6 典型赝电容和电池材料实例

CV曲线-扫描速率关系图：(a) 典型赝电容材料; (b) 实例T-Nb₂O₅; (c) 典型电池材料;  (d) 实例LiFePO_4.

图7 峰值电流-扫描速率构效关系区分赝电容和电池

b值用于分离由扩散控制贡献的表面氧化还原反应。

图8 影响b 值因素

电极材料类型：(a) T- Nb₂O₅ & (b) LiFePO₄; 电位：(c) b值与电位曲线；载流子类型: (d) (Li⁺ vs. Na⁺).

图9 两种方法定量区分面/体电荷贡献

图10 本征赝电容行为及其影响因素

晶体结构 (a) & (d); 结晶度 (b) & (e);  载流子类型 (c) & (f).

图11 非本征赝电容行为及其影响因素

上图显示了电化学行为随晶粒尺寸的演变规律。

图12 二元混合（杂化）设计用于优化电化学特性

通过电极杂化设计，实现对面/体电荷比例的调控，显著提高电化学特性。

【小结】

该综述深入探讨了赝电容和电池材料电化学行为及其影响因素，系统总结了相关电化学分析方法，为高性能电化学储能器件提供重要理论指导。

文献链接：Advanced Energy Storage Devices: Basic Principles, Analytical Methods, and Rational Materials Design (Adv. Sci., 2017, doi: 10.1002/advs.201700322)

本文由刘继磊博士提供。

作者简介

刘继磊博士于2015年从新加坡南洋理工大学获得博士学位。多年来一直从事碳基电化学储能材料与器件设计研究工作，特别专注于新型碳材料（如石墨烯/碳纳米管杂化结构）的绿色和低成本制备，高性能碱金属离子电池、水系杂化电池和非对称电容器设计，以及相关电化学反应机理研究。截止目前，共发表SCI 论文40余篇。是国际电化学学会和美国电化学学会会员。

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