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北京大学Joule，一文了解超级钾离子混合型电容器现状和未来！

时间：2024-06-07 来源： 浏览：

北京大学Joule，一文了解超级钾离子混合型电容器现状和未来！

Lina SynBioX
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研究背景
在过去的几十年里， 锂离子混合电容器（LIHCs）作为一种新兴的能量存储解决方案引起了科学家的注意。LIHCs结合了LIBs和超级电容器（SCs）的优点，旨在提供高能量密度和高功率密度的双重优势。然而，LIHCs的研究和开发面临着一些挑战，特别是在寻找更廉价的替代材料方面。LIHCs的主要组成部分包括吸附型阴极和插层型阳极，这些组件需要进行精心设计和优化，以实现最佳性能。此外，稀有金属锂在地壳中的稀缺性也限制了LIBs的大规模应用，因此寻找替代材料以降低成本和提高可持续性是一个迫切的问题。
为了解决这些问题，科学家们开始研究钾离子混合电容器（PIHCs）作为LIHCs的替代方案。相比锂，钾在地壳中更为丰富，价格更低廉，因此具有更好的可持续性和经济性。钾离子混合电容器的研究着眼于设计高效的电极材料和优化电池结构，以实现与LIHCs相媲美的性能。
鉴于此，澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心Bing Sun教授、汪国秀教授以及北京大学材料科学与工程学院郭少军教授课题在Joule发题为“Technological roadmap for potassium-ion hybrid capacitors”研究论文综述。通过钾离子混合电容器的研究，本综述希望能够开发出成本更低、能源密度更高、循环寿命更长的新型能量存储设备，从而推动可再生能源的广泛应用和普及。这一领域的研究不仅对能源存储技术的发展具有重要意义，还为解决环境和能源安全等全球性挑战提供了重要的科学支持。
研究内容
图1中的图表显示了不同能量存储设备的Ragone图，比较了它们的能量密度和功率密度（图1A）。这些设备包括商用超级电容器（SC）、锂离子混合电容器（LIHC）和可充电锂钴酸盐电池（LIB）。图1B进一步比较了这些设备的性能，展示了LIHC与其他设备之间的性能差异。图1C显示了从2013年到2023年间各种混合电容器系统的学术论文数量，其中钾离子混合电容器（PIHCs）的研究活动得到了最大的关注 。
图1.  各种能量存储设备的基石
图2则展示了MIHCs的性能指标和组件组成。图2A比较了不同MIHCs的性能，包括关键指标如循环寿命和能量密度。图2B和图2C则展示了MIHCs的典型组件构成和配置百分比。作者指出，锂离子混合电容器（LIHCs）已经成熟，并且取得了令人瞩目的性能。然而，由于地球地壳中锂的昂贵和稀缺，以及LIHCs的经济和可持续性问题，研究人员开始关注替代技术，如钾离子混合电容器（PIHCs）。PIHCs具有许多优势，包括钾的丰富、较低的标准氧化还原电位和较小的离子半径。图1C显示了PIHCs的研究活动增长，说明了其在学术界的受关注程度。
此外，作者还提到了MIHCs的设计和性能优化的重要性。图2A展示了不同MIHCs的性能比较，其中PIHCs因其优异的性能而备受瞩目。图2B和图2C详细描述了MIHCs的组件构成和配置百分比。作者还讨论了PIHCs的发展中面临的挑战，包括高自放电率、热稳定性差和不稳定的电化学反应。为了克服这些问题，作者建议从电极材料和电解质方面进行改进。最后，作者还提到了PIHCs从实验室向工业领域转化的现实障碍，并展望了PIHCs在大规模能量存储和电动交通应用中的前景。
图2.  MIHCs的性能指标和组成成分
图3展示了三种典型的钾离子储存系统，包括电双层电容器（EDLCs）、钾离子电池（PIBs）和钾离子混合电容器（PIHCs）。作者通过对比它们的器件配置和性能特征，以及充放电和循环伏安曲线，阐明了它们的工作机制。EDLCs通常包含两个吸附型电极，通过表面吸附/解吸反应存储K+，表现出线性的充放电曲线和矩形的CV曲线，具有超快的响应时间。与之相比，PIBs采用电池型电极，在GCD/CV曲线中显示出明显的氧化还原平台/峰，具有高能量密度但牺牲了循环寿命和反应动力学。而PIHCs则结合了EDLCs和PIBs的优势，具有高增长潜力，但组件之间的兼容性关系至关重要 。
图3. 种典型能量存储系统的工作机理和典型充放电和循环伏安特性
图4深入探讨了PIHCs的挑战和设计原理。首先，作者介绍了钾离子储存时可能出现的体积膨胀和动力学限制，以及复杂的钾化学带来的安全性问题。随后，他们讨论了活性材料之间的动力学失衡问题，特别是电池型和电容型电极的N/P比匹配，强调了对动力学平衡的重视。在电解液浓度极化方面，作者解释了不同电极配置下的反应路径对电解液浓度的影响，并指出了这可能对PIHCs的耐久性和安全性构成威胁。最后，图4还探讨了PIHCs的电压窗口狭窄和低充电效率问题，以及通过预钾化来提高能量密度和循环稳定性的方法 。
图4. 配置设计对PIHCs电化学性能的影响

为了提高钾离子混合电容器（PIHCs）的电化学性能，研究人员采取了多种策略。图5展示了三种主要策略：电极材料改性、电极/电解质界面优化和分级三维电极设计。首先，电极材料改性通过表面涂层和异质原子掺杂来改善电极的钾储存能力和反应动力学。表面涂层形成了物理屏障，阻止了副反应的发生，并减轻了长期循环中的结构破坏。异质原子掺杂优化了晶体结构，提高了结构稳定性并增加了电化学活性位点。其次，优化电极/电解质界面可以通过电解质结构和添加剂来实现。添加具有强配位能力的添加剂可以调节界面稳定性并促进更稳定的CEI/SEI形成。增加电解质浓度可以扩展电化学稳定性窗口，进一步提高界面稳定性。最后，采用分级三维电极设计可以实现高能量密度和出色的循环稳定性。这种设计通过提供更多的电子传输通道和减轻电极中的机械应力，加快了电荷传输速度并提高了电极的利用率。这些策略的综合应用可以显著改善PIHCs的性能，为其在能量存储领域的广泛应用提供了有力支持。

图5. 提高PIHCs电化学性能的有前途的策略

图6展示了当前PIHC技术中的技术瓶颈和可行的工业应用方案。首先，PIHC的发展受到电极的质量载荷限制，即电极材料的厚度对反应动力学和速率能力造成了影响。研究表明，厚电极能够提高离子/电子导电性，但会阻碍钾离子的扩散通道，因此需要解决颗粒断裂等问题。其次，厚电极的设计需要解决低扭曲度和高孔隙率的矛盾。虽然低扭曲度的厚电极有助于提高离子/电子传输速率，但目前的方法往往以高电极孔隙率为代价，这限制了能量密度的提高。解决方案之一是采用创新的加工技术来实现低扭曲度和合理的孔隙结构。除此之外，隔膜、电流收集器和电解质对PIHC的正常运行至关重要。
然而，这些被动组件对总体电池性能的贡献较少，因此需要设计体积小、质量轻的被动组件以释放活性材料的潜力。最后，提出了多种PIHC架构的设计方案，包括3D微管和3D交错结构。这些新颖的设计能够最大程度地利用活性材料，并在减少被动组件的情况下实现高能量密度。然而，这些设计还需要解决制备技术的难题，以实现工业化生产。
图6. 从目前的实验室研究和可行的工业应用来看 PIHC 技术的技术瓶颈

研究展望
本文对钾离子混合电容器（PIHCs）技术发展面临的挑战进行了全面的剖析，并提出了解决这些挑战的策略。首先，通过对电极材料的改进，如设计高性能的电极材料和优化电解质，可以提高PIHC的功率密度和循环寿命。其次，优化电极结构和电解质组成，以平衡能量密度和功率密度之间的权衡。此外，必须加强对电极/电解质界面化学的理解，以实现稳定的界面反应和减少副反应的发生。此外，需要发展更加成熟的评价标准和工业化生产技术，以推动PIHC技术从实验室到工业的转化。最后，跨学科合作和新型材料设计将为PIHC技术的进一步发展提供新的动力和可能性。综合来看，解决PIHC技术面临的挑战需要多方面的努力和创新，但一旦成功，它将为未来能源存储领域带来重大突破和发展 。
文献详情：

-- https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.03.006  

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