合肥光源用户在“用于全固态超级电容器的凝胶电解质”研究取得重要进展
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合肥光源用户在“用于全固态超级电容器的凝胶电解质”研究取得重要进展
 发布时间:2016-07-13  大小:【
  中国科学技术大学谢毅教授团队的吴长征教授课题组,将具有独特离子通道的新型两性凝胶电解质用于全固态超级电容器,获得了性能优异的石墨烯基全固态超级电容器,研究了其具有最优性能的微观机理。该项成果于近期发表在《自然通讯》上(Nature Communications,7:11782,2016)。
  面对日益增长的能源需求,全固态超级电容器作为新型储能设备得到了广泛关注,而凝胶电解质是其中的关键技术材料。为了实现全固态超级电容器快速充放电和高稳定性的需求,发展兼具高离子电导率、优良机械强度和保水性能等诸多优势的新型凝胶电解质,是当前该领域的重要科学问题。其核心和关键在于如何在凝胶电解质中构建有序离子通道以及理解其内在电化学机制。面对这个挑战,中科大吴长征教授课题组基于两性凝胶电解质PPDP (聚([3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基(3-硫代丙基)氢氧化铵内盐)有序两性基团形成独特的离子通道,应用于高效全固态超级电容器。同时,每个两性基团可以与8个水分子结合形成水化层,使电解质PPDP具有良好的保水特性。构建的石墨烯基全固态超级电容器,在0.8 A cm-3的电流密度下,实现了300.8 F cm-3的比容量,并且电流密度增大25倍之后,仅有14.9 %的比容量损失,达到了目前石墨烯基全固态超级电容器的最优值。构建有序离子通道为设计新型高效能源存储器件提供了新思路。
 

图(a)两性凝胶电解质在电场下形成离子通道; (b)角度依赖的C K 边X射线吸收谱

   该项研究成果利用合肥光源软X射线磁圆二色(XMCD)实验站的软X射线吸收谱学技术,获得了C K edge XANES的特征峰随空间角度的变化关系(图b),证实了两性凝胶电解质在外加电场的情况下, 形成了能够提高凝胶电解质中盐离子传输的离子通道,进而明确了其是导致石墨烯基全固态超级电容器具有最优性能的根本原因。

   合肥光源软X射线磁圆二色实验站是一个能够研究复杂材料体系中特定原素的电子结构和局域结构的软X射线吸收谱学实验站。其光子能量范围在100-1000eV,能量分辨率可以达到2000,光通量>2×108,可测量碳、氮、氧轻元素的K边吸收谱和部分3d过渡金属的L2和L3边吸收谱,配合外磁场可获得铁磁性材料中特定元素的轨道和自旋磁矩。

 

 

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