功能配合物用于高性能全固态多元硫化物超级电容器器件的设计与组装

To improve the specific capacity of electrode materials is the key factor for the design and development of high-performance supercapacitor. Metal sulfide as one of the commonly used electrode materials, alone change the morphology and structure has little effect on the electrochemical properties. However, different transition metal ions to form the metal sulfides with different sedimentation rate. Until now, it is still very difficult to get high purity of multivariate metal sulfide. And the controlled synthesis of the more than ternary sulfides is still a major challenge. This project aims to use functional coordination complexes as precursor, multivariate metal sulfide achieved by ion exchange method. And the flexible solid-state supercapacitor devices are assembled by the mixed the electrode materials and reduction graphene, carbon aerogel as a composite. After the detailed study of their electrochemical performance, we summarize the implementation rule. At the same time, to study the influence of the relationship between material structure and electrochemical properties. Finally to achieve in effectively improve the energy storage capacity of such materials.

设计开发高性能超级电容器其关键在于提升电极材料的比容量。硫化物作为常用的电极材料之一，单独依靠改变形貌和结构对其电化学性能影响甚微。提高其电化学性能的简便有效途径是引入丰富的金属中心。但是，不同过渡金属离子形成硫化物时沉降速率不一致，极难得到纯度较高的多元硫化物,反而影响其性能。三元以上金属硫化物的控制合成至今还是一个重大难题。本项目拟借助功能配合物的作为前驱体，利用离子置换实现多元硫化物的形貌遗传和中心组成调控，并将其与还原石墨烯、碳气凝胶等活性材料复合，组装全固态超级电容器器件，系统研究其电化学性能。通过对比，总结规律，实现在有效提高材料的储能能力的同时研究材料的结构与电化学特性之间的影响关系。并进一步将功能配合物引入到体系中，从超级电容器器件的结构入手，改进超级电容器电极材料与离子传输机制, 使之在超薄的厚度下具有与普通超级电容器一样稳定的电化学性能，同时还具备柔韧的物理性质。

电极材料作为超级电容器的核心部件，对超级电容器性能起着决定性作用。近年来研究表明，过渡金属硫族化合物中金属离子具有变价的特性，并且其形貌结构多样化，易于大规模可控制备，被认为是超级电容器理想的电极材料之一。为了进一步提高该系列电极材料的电化学性能，研究人员提出在该系列电极材料内部引入更加丰富的金属中心，其不仅可以提高其自身理论比容量，同时还可以提高其电子导电性。为此，该项目提出基于功能配合物中金属配位理论设计构筑三元以上金属硫族化合物，并考察其电化学性能。项目首先通过制备系列新型功能配合物，并以其为前驱体，利用离子置换、电化学沉积等方法实现了多元硫化物的形貌遗传和中心组成调控，先后制得了刺球状(Ni, Co)Se2(1-x)S2x四元材料、Ni@Ni3S2/Co9S8/NiSe四相复合材料等具有不同形貌、元素种类、物相种类的镍钴基硫族化合物电极材料，并考察了在超级电容器中的储能性能。此外，进一步结合凝胶电解质技术，以PVA/KOH为凝胶电解质，设计组装出了全固态超级电容器器件，展示出优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。项目的开展充分补充了超级电容器电极材料的种类和类别，为全固态超级电容器的研发积累了经验。项目执行的四年时间内，围绕超级电容器储能技术发表SCI收录论文36篇，项目成果获得河南省科学技术进步三等奖一项、中国纺织工业联合会科学技术进步三等奖一项和中国商业联合会科学技术二等奖一项。