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论述超级电容器储能与硒化物纳米材料的融合

2020-02-26 469 上传者：管理员

摘要：近年来，随着环境污染和能量短缺等问题的逐渐严重，人们对高效、绿色、成本低廉的能量储存装置的关注度越来越高。其中超级电容器凭借高能量和高功率的显著电化学性质的优势被认为是有前途的能量存储系统。硒化物不仅具有优良的半导体性质、光电特性和非线性光学特性，还具有独特的电学性质、特殊的化学性质和良好的化学稳定性，可以作为下一代储能装置的高性能电极。因此可以将过渡金属硒化物作为超级电容器的正极材料，组装成一个新型储能器件，既做到保护环境又实现节能。

关键词：
储能器件
电化学性能
硒化物
超级电容器
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随着社会的发展和科技的不断进步，我们对能源的需求也在日益增加。但随之也带来了诸多的问题，例如：环境污染、能源危机、全球气候变暖、温室效应等问题。设计优异的储能装置显得十分重要和迫切。超级电容器和电池是两种主要的储能类型。基于不同的储能机制，超级电容器在功率密度方面的优势比较明显。与二次电池和传统电容相比较，超级电容器具有高的功率密度、快速的充放电过程、优异的循环稳定性、快的动态响应、长的寿命、低的成本、环境友好和安全等优点。

超级电容器与电池有着类似的储能装置，都包含有正极、负极、电解质等。通常情况下，超级电容器被视为介于电池和传统电容器的一种储能装置。近几年，全固态超级电容器取得了重大的突破，可以进一步的提高电容和能量密度，扩大工作电压窗口同时可以降低成本，也可以满足携带式和可穿戴电子设备的实际要求。

在过去的几十年中，金属氧化物和硫化物作为全固态超级电容器的电极材料得到了广泛的研究，如CoO、NiO、ZnS、CoNiS等。Se作为O和S的同族元素，不仅具有与O和S相似的化学性质，而且Se有着相对O和S更强的金属性。与金属氧化物和硫化物相比，金属硒化物有着更高的电化学活性，并且可以在很大程度上增强电导率。因此，我们可以预测金属硒化物作为电极材料显示出良好的电化学性质，将硒化物作为全固态超级电容器的正极材料，必然发挥出更优异的储能特性。

1、超级电容器的结构及原理

超级电容器有三个必要的组成部分：电极材料、电解液和隔膜。根据储能机理和活性物质的不同，可以把超级电容器分为双电层电容和赝电容。

1.1 双电层电容器

双电层电容器相比采用电化学的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，主要是通过静电吸附作用进行电荷储存。

1.2 赝电容器

赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。

2、硒化物超级电容器性能

硒化钴、硒化镍、硒化钼均表现出超级电容器电化学性能，以各种硒化物为研究对象，将电极材料设计与储能器件构筑结合起来，从而开发出性能更高且更具实用价值的超级电容器器件。

2.1 硒化镍

硒化镍作为在三电极系统中具有优异性能超级电容器的电极材料具有深入研究的价值和意义。硒化镍具有低带隙性、良好的电荷转移电导率并且可以基于各种氧化态。此外，结构和形态的控制可以改善超级电容器电极材料的性能。在三维泡沫金属框架中合成硒化镍电极材料，这种方法可以减少电极材料的步骤并且可以增加特定的性能和容量。之后，主要通过改变反应温度、反应时间或溶剂体系来进行对硒化镍物质形态和结构的调整。使用在镍泡沫上生长的分层纳米片硒化镍微球作为超级电容器的电极材料，提高电化学的性能。

2.2 硒化钼

在镍泡沫上电沉积的硒化钼纳米片，可用于超级电容器的正极材料。二硒化钼在电化学，光催化和光电子系统中的应用越来越受到关注。可被认为是石墨烯的合适替代品，主要是其分层结构，由Se-Mo-Se三层分离而成，具有优异的固有导电性。

在泡沫镍上生长纳米片，结果显示/Ni电极具有低电阻和良好的电容性质。循环伏安法研究表明，MoSe2/Ni电极的电荷存储特性存在离子嵌入/脱嵌过程，可以实现548mAh的高比容量。非线性GCD曲线的存在突出了/Ni电极中的电池类型电荷存储过程，具有更好的循环稳定性。观察到的/Ni电极的高电荷存储容量可能归因于各个纳米片之间的层间距增大以及纳米片在Ni泡沫上的直接整合。

2.3 复合金属硒化物

复合金属Ni、Co基化合物显示出比单金属Ni或Co化合物更优良的电化学活性。NiSe-CoSe的混合物质作为超级电容器的正极材料，NiSe-CoSe样品显示出优异的电化学活性，NiSe和CoSe之间的比例可以极大地影响它们的电化学活性。由于该物质的中空结构为电荷储存提供了更好的电极性能，Ni和Co的共存为电化学过程提供了更丰富的电化学反应，并且不同的Ni和Co比可用于调节NiSe-CoSe样品的电化学性能，可以改善预期的电化学性能。然而，在NiSe-CoSe的混合物质的研究方面，技术相对不太成熟，但是值得我们去研究和发展。

3、展望

在全球能源危机日益严重的情况下，储能器件的研究与发展也愈加迫切。超级电容器在需要更高效更可靠电源的新技术领域中起着越来越重要的作用。过渡金属硒化合物的法拉第赝电容较大，被认为是超级电容器理想的电极活性材料。金属硒化物作为一类新的超级电容器的电极材料使得超级电容器具有优良的性能。而混合金属硒化物与单金属硒化物相比又具有更优异的性能，比如Ni和Co的混合硒化物，Mo和Co的混合硒化物等，都具有很好的电化学性能。未来我们可以在金属硒化物方面进行深入的研究。我们有理由相信，硒化物作为超级电容器正极材料组装成一种新型储能器件，可以为各行业提供在蓄能和输电等方面的解决方案。

李颂战,蔡子豪,陈益姝,等.硒化物纳米材料应用于超级电容器储能研究状况[J].西部皮革,2019,41(23):118-119.