基于高电子导电性MOFs电极材料的柔性超级电容器的构筑和性能研究

Flexible supercapacitors, as a new electrochemical energy storage system, has been obtained great interests because of its merits of fast charge/discharge, long cycling life, and safe. In order to meet the requirement of be light weight, miniaturized, integrated, and functionalized of the energy storage devices for future smart wearable systems, the key point of the project is to fabricate high performance conductive MOFs based flexible electrodes, using the fiber textiles as substrate with in-situ deposited conductive MOFs. This project will systematically investigated the influence rules of metal ions, ligands and other synthesis conditions on the electrical conductivity, specific surface area, and pore structures of conductive MOFs. Using the (ex) in-situ characterized techniques and electrochemical tests to scientifically design and precisely control the microstructure of the electrode materials, elucidate the inherent relationship between their microstructure and capacitance performance, and reveal the energy storage behavior and mechanism of the new conductive MOFs electrode materials. The effects rules of mechanical bending, folding, and straining on the electrochemical performances of the flexible supercapacitor will also be studied. This study will provide a new technical guidance and theory basis to develop flexible supercapacitors.

柔性超级电容器作为一种新型的电化学储能器件，具有充放电速度快、长寿命、安全等优点，而备受关注。为更好的满足未来智能可穿戴系统对于储能器件轻量化、微型化、集成化、多功能的发展需要，本项目拟采用柔性纤维织物作为载体，原位沉积构筑新型高导电性MOFs基柔性电极。系统考察配位中心、配体种类等合成策略对MOFs电导率、孔结构、比表面积的影响规律；基于（非）原位表征技术、系统的电化学测试技术，力求阐释新型导电MOFs电极材料微结构的形成及调控机制、结构与电化学性能的构效关系及其在电解液中的电化学行为与储能机制。探究弯曲、折叠、拉伸等外力作用对器件电化学性能的影响和关联规律，为柔性储能器件的设计和发展提供新思路和科学依据。

导电MOFs材料是由有机配体和金属离子通过分子自组装构建的结晶度良好的一类化合物。 具有机和无机半导体的某些特质，表现出较高的电导率，大的比表面积，丰富的孔结构以及好的表面活性等优点。近年来，导电MOFs在电化学储能领域展示出了极大的潜力，也成为该领域研究人员关注的热点之一。本项目聚焦于M3(HHTP)2这类导电MOFs材料，设计并合成了具有特殊的2D层状结构，具有良好的电子电导性的Cu3(HHTP)2、Ni3(HHTP)2、Co3(HHTP)2、Zn3(HHTP)2、Mn3(HHTP)2、Fe3(HHTP)2等一系列导电MOFs材料。详细研究了其微观形貌、比表面积、孔径分布、电导率等特性。明确了过渡金属离子Ni、Co、Cu、Zn等对于其微观结构和性能的影响。考察了这一类导电MOFs材料电化学储能性能，GITT测试表明材料具有良好的电化学动力学。结合多种表征方法揭示了其储锂机制，XPS 测试表明金属离子的价态在循环前后未发生明显变化，循环后的TEM 及非原位的 XRD结果证明其形貌未发生明显变化，而且其 XRD的峰位变化也较小，我们推测此类导电MOFs材料主要的储锂位点应包括苯环，孔道以及层间三种。但是其详细的储能机制仍需要深入的研究，其储能性能的优化和改善还需不断的探索。本项目的实施为新型电极材料的开发和设计提供了理论和实验借鉴。