基于纳米粒子的光纤LSPR传感器用于检测超级电容器电极表面电荷状态

陈鑫龙, 姜石玉, 钱思宇, 胡蕴薪, 刘盛春

(黑龙江大学 黑龙江省超构材料物理与器件重点实验室, 哈尔滨 150080)

0 引 言

超级电容器是具有安全性好、高充放电速率、可持续数万至数百万次充放电循环的高性能能量存储设备，引起了科研工作人员的研究兴趣[1-2]。超级电容器作为临时能量存储设备应用在空中客车A380的应急门上，证明了超级电容器安全可靠的应用前景[3]。超级电容器主要分为双电层电容器和赝电容两类，双电层电容器(Electric double layer capacitor, ELDC)，通过在电极-电解质极化界面上正负电荷分离及静电吸附进行电荷存储[4]；赝电容器(Pseudo-capacitor)，依靠氧化还原反应引起电荷转移进行电荷存储[5]。在研究超级电容器的运行机理和评估超级电容器的性能时，需要对超级电容器的工作状态进行实时监测。传统的电化学检测技术(循环伏安法和恒电流充放电法)是能量存储器件应用最为广泛的技术[6]，该技术用于研究电化学动力学过程、电化学反应机理和评估循环性能等，但不能对超级电容器某一电极的电荷状态进行实时检测。透射电子显微镜(Transmission electron microscope，TEM)[7-8]、核磁共振技术(Nuclear magnetic resonance，NMR)[9]和X-射线衍射技术(X-ray diffraction，XRD)[10]等被广泛用于寻找商用电极材料和研究电化学行为机理。Robert等通过TEM原位观察到锂离子二次电池中树枝状晶体的形成[11]。Feng等采用XRD来观察锂离子电池中CuO阳极相变过程[12]。这些技术可以很好地检测超级电容器的电化学特性，但需要用到透射电子显微镜、核磁共振仪和X-射线衍射仪等大型仪器，设备体积庞大和价格昂贵限制了他们的应用。……