印度科学院：内串联工艺提升超级电容器电压、能量密度和倍率性能

 　超级电容器由于功率性能好、循环寿命长等因素得到了广泛的关注。根据物理学常识我们知道：功率=电压´电流，由于目前的超级电容器的电压一般较低，为1-3V，因此提高输出功率仅能通过提升超级电容器的工作电流来实现，但是提升工作电流是有极限的，首先受限于超级电容器的动力学条件，主要包含离子在电解液中的扩散速度，以及离子在电极材料内的扩散速度（赝电容）等，此外还受到电池集流结构的设计的限制，传统结构的集流体接触阻抗大，大电流放电时会导致温度升高等问题，都使的无限提高放电电流是不可能的。

　　因此要进一步提升超级电容器的功率密度要从电压的角度进行着手，提升超级电容器的电压也主要有两个方面可以实现：1）材料本身，通过更换电极材料提高电池电压。这方面可操作的空间不大，一方面受制于材料自身的因素，电压提高非常困难，另一方面受限于电解液的电化学稳定窗口，不可能无限提高电压。2）另一个方面可以通过内串联的方式提升超级电容器的电压。一般而言这种方式仅适用于全固态结构的超级电容器，传统的液态电解质超级电容器，由于电解液的流动性，使得电极仅能实现内部并联的形式，只有全固态结构的超级电容器才能够通过结构设计实现内部串联。

　　印度科学研究院的BuddhaDeka Boruah和Abha Misra两人根据上述的理论，提出了一种凝胶电解质内串联电容器，为了解决KOH溶液流动的问题，Buddha Deka Boruah将PVA（乙烯醇）与KOH溶液进行了混合，制备了凝胶电解质。该超级电容器通过内串联的办法使得工作电压达到了4.5V，相比于相同材质的普通超级电容器，能量密度和功率密度分别提升61%和33%。在4.5V的工作电压下，循环5000次容量保持率可达97%，同时该电容器还具有良好的柔性，可以进行弯折。

　　该内串联电容器的制备过程如下图所示，电极成分分别为rGO- CNTs-Fe2O3//rGO-CNTs-ZnCo2O4 ，其中rGO能够提供双电层电容，CNT既能够提供双电层电容也能够提升电极的导电性，Fe2O3和ZnCo2O4能够发生氧化还原反应，提供赝电容。Buddha Deka Boruah利用掩膜辅助喷射沉积技术将其涂布在集流体的表面。

　　下图a为该超级电容器的循环伏安测试结果，扫面速度为50-1000mV／s，图b则展示了该电容器在2000-5000mV／s的扫描速度下循环伏安曲线，上述测试表明该电容器具有非常好的倍率性能。图d则展示了在不同的弯曲角度下，超级电容器的循环伏安曲线，从曲线上可以看到，弯曲角度对于超级电容器的性能几乎没有影响，表明该超级电容器具有良好的柔性。图中虚线部分展示了该电容器的工作原理。

　　下图为该电容器的工作曲线，图a展示了在不同的电流密度（0.222A／g-0.555A/g）下，该电容器的充放电曲线，图b为不同的工作电压（1.5V-4.5V）下，电容器的充放电曲线。从图e中的嵌入图可以看到，随着改超级电容器工作电压的提高，其能量密度和功率密度同时提高，这表明超级电容器的性能与工作电压呈现正相关的关系。同时该超级电容器还表现出了非常优异的循环性能，在4.5V的工作电压下，循环5000次容量保持率可达97%。

　　BuddhaDeka Boruah和Abha Misra两人通过凝胶电解质克服了液态电解质电池无法实现内串联的难题，内串联工艺使得超级电容器的电压得到了大幅度的提高，并使的其能量密度和功率密度都有了显著的提高，该方式也可以在锂离子电池设计方面进行借鉴。