上海大学黄秋安&张久俊JEC | 从单孔到多孔电极的频率响应分析：容性能量存储的辨识

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引言

超级电容器（SCs）功率密度高，循环寿命长，倍率性能好，但能量密度低。为了优化容性能力存储（Capacitive Energy Storage，CES）特性，常借助数值计算和仿真分析，以节省实验成本，并缩短实验时间。频率响应分析（FRA）被视作容性储能特性辨识的有力工具，它不仅需要有效的测试数据，而且需要可靠的理论模型。当前，电化学阻抗谱模型已得到长足发展，但是缺乏从单孔到多孔电极的双尺度传输线阻抗模型（以下简称双尺度TLM阻抗模型）。

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成果展示

近日，上海大学黄秋安和张久俊团队开发了多孔电极双尺度TLM阻抗模型，该模型中成功嵌入单孔和多孔电极的核心参数，由此建立了容性能力存储特性与电极核心参数的定量关系，进而借助FRA辨识分析了粒间孔径、粒内孔深、粒内孔径、电解液电导率、电极厚度等核心参数对从单孔到多孔电极容性能量存储的影响，揭示了制约容性能量存储特性的关键因素。该工作取得如下成果：

(1) 建立了参数化的双尺度TLM阻抗模型。从传统TLM模型出发，建立了包含指数因子、粒内孔径（intra-particle pore diameter）、孔隙深度、电解液电导率、界面电容、电极厚度、电极表面积和粒间孔径（inter-particle pore diameter）八个电极核心参数的双尺度TLM阻抗模型。

(2) 建立了CES特性与电极核心参数间的联系。在建立双尺度TLM阻抗模型基础上，建立了电极参数与从单孔到多孔电极CES特性参数倍率性能、峰值功率和能量密度间的关系式。仿真分析各参数对多孔电极CES特性的影响，揭示了制约其CES特性的关键因素。

基于建立的双尺度TLM阻抗模型以及CES特性与电极参数间的联系，以多孔电极孔隙深度L和电解液电导率σ₁为例，从单孔到多孔电极容性能量存储特性演变规律如图1所示。

图1. 孔隙深度L和电解液电导率σ₁变化时，单孔和多孔电极容性能量存储特性对比。

该论文以“Capacitive energy storage from single pore to porous electrode identified by frequency response analysis”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

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图文导读

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小结

本文开发了从单孔到多孔电极的双尺度传输线阻抗模型。该双尺度阻抗模型，不仅成功嵌入多孔电极八个核心参数，而且建立了容性能量储存特性与核心参数的定量联系。基于建立的双尺度TLM阻抗模型，分析辨识了单孔/多孔电极八个核心参数对倍率性能、峰值功率和能量密度的影响，揭示了制约容性能量存储特性的关键因素，比如，相比于单孔的直径和深度，颗粒间孔隙直径更影响和制约多孔电极的倍率性能（高频特性）。

本文为优化容性能量存储特性提供了一种简洁高效的FRA工具。为了降低辨识CES特性的不确定性，将对颗粒的堆积模式等因素，开展进一步的实验验证和理论分析。

文章信息

Capacitive energy storage from single pore to porous electrode identified by frequency response analysis.

Weiheng Li, Qiu-An Huang*, Yu Li, Yuxuan Bai, Nan Wang, Jia Wang, Yongming Hu, Yufeng Zhao*, Xifei Li, Jiujun Zhang*.

J. Energy Chem., 2022.

DOI: 10.1016/j.jechem.2022.10.017

作者信息

黄秋安，工学博士。现为上海大学可持续能源研究院副教授，博士生导师，EIS@AI课题组组长。1997.7~2018.10，湖北大学电子信息工程系助教，讲师，副教授。于1997年获北京化工大学自控系工学学士学位，分别于2004年和2009年获华中科技大学自控系工学硕士和工学博士学位。已在《Nano Energy》、《Journal of Energy Chemistry》，《Journal of Power Sources》，《Electrochimica Acta》，《Journal of The Electrochemical Society》，《Journal of Electroanalytical Chemistry》等国际期刊发表学术论文40余篇，被引~1700次。主持留学归国人员科研启动基金、省教育厅重点基金、国家自然科学基金等项目。研究兴趣为电化学阻抗理论建模、快速测试与智能诊断。

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张久俊博士是加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席/创始人。2014-2021年被连续8年评为全球科技工程界论文最高被引用（Top 1%）科学家之一，2014-2016年被汤姆斯-路透评为全球最有影响力的科学家之一,2018年被国际电化学能源科学和技术大会（EEST2018）授予终身成就奖。张博士目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编。专业领域包括电化学、电催化、燃料电池、电池、超级电容器和水/CO2电解。至今已发表学术论文550余篇，被引65000余次（H-Index为104）。

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