Science | 锂离子电池和超级电容器

主要观点总结

本文主要介绍了电池和超级电容器两种能量存储设备的基本原理、特性及应用的对比，详细描述了电化学测量的技术工具和其区分这两种设备材料的方法。随着科技发展对能源需求的变化，对于结合两者优势的新型材料和设计的研究变得重要。文章还探讨了纳米材料在能量存储领域的应用及其带来的挑战和可能性。

关键观点总结

关键观点1: 电池与超级电容器的基本原理和特性对比

电池通过电极材料的氧化还原反应存储和释放能量，具有高能量密度但功率性能有限；超级电容器通过电极-电解质界面形成电双层来存储电荷，具有快速的充放电能力但能量密度较低。

关键观点2: 电化学测量技术的重要性

电化学测量技术是区分不同类型能量存储材料及其底层机制的关键工具，通过细致分析循环伏安法和恒电流充放电等电化学实验结果，可以清晰地辨别电池与超级电容器的基本特征。

关键观点3: 赝电容作为电池和超级电容器的桥梁

赝电容作为一种特殊的电荷存储机制，代表了电池和超级电容器之间的过渡，纳米技术的发展使得这一领域的研究更加深入，但同时也带来了概念上的混淆和实际评估的挑战。

关键观点4: 未来展望和挑战

开发同时具备电池级能量密度和超级电容器级功率密度与循环寿命的材料是能量存储领域最具挑战性和吸引力的研究方向，多种创新材料设计策略和被提出，综合表征的必要性随着材料和设备的复杂性增加变得更为重要。

正文

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电池和超级电容器 的对比

(A 至 D) 图示展示了不同的电容式能量存储机制。

双层电容在由 (A) 碳颗粒或 (B) 多孔碳构成的电极上形成。此处所示的双层源于电解质中的负离子在带正电的电极表面的吸附。

赝电容机制包括 (C) 氧化还原赝电容，如在水合 RuO2 中发生的，以及 (D) 嵌入型赝电容，其中 Li+ 离子被插入到宿主材料中。

(E 至 H) 电化学特性可区分电容器和电池材料。

循环伏安图可区分电容器材料，其对电位线性变化的响应是恒定电流 (E) ，而电池材料则表现出法拉第氧化还原峰 (F) 。

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