膨化大米碳植入纳米金属复合电极的构建及其钠电容行为机制研究

One of the key issues to promote the industrial application of high-performance hybrid sodium ion supercapacitors is to rationally design/fabricate advanced electrode materials with high power/energy density and superior cycling life. Based on these requirements, the proposed project aims at integrating nano-metals into puffed rice carbon (PRC) forming PRC/nano-metal hybrid electrode by a facile puffing method for high-performance organic hybrid supercapacitor application. We will address the growth mechanisms of PRC and nano-metals. Moreover, we intend to investigate the influence of electrode microstructures (e.g., dimension and porosity) of PRC/nano-metal hybrid electrode on the supercapacitor performance. The electrode kinetics of the hybrid electrode will be studied in terms of interface electrochemical reaction impedance and ion diffusion rate. Additionally, we will clarify the sodium ion storage reinforcement effect of the PRC/nano-metal hybrid electrode by investigating composite structure dependence of sodium ion storage space, charge/discharge polarization, structural stability, ion/electron transfer and energy/power density. We will investigate the electrochemical kinetics of sodium ion storage of the hybrid electrode and address the sodium ion storage contribution effect between surface capacitive effect and diffusion-controlled battery effect. In addition, we intend to investigate the dependence between interlayer space change of PRC and insertion/extraction of Na+, and establish the quantitative monitoring mechanism/model between interlayer space change and insertion/extraction of Na+. This project will provide valuable theoretical basis and experimental evidence for the development of high-performance electrode materials for organic hybrid supercapacitors application.

设计制备高性能（高功率/能量密度、长循环寿命）混合超电容储钠电极材料是推动高性能超电容工业化应用的关键问题之一。本项目采用高效的气流膨化法制备等级多孔的膨化大米碳，并植入纳米金属构建高性能储钠复合电极。系统研究复合材料的微结构特征及其与制备工艺参数的关系，揭示膨化大米碳及其植入纳米金属的生长机制。分析复合结构中孔道尺寸、孔隙率等参数对电化学储钠性能的影响。系统研究复合电极的电极反应动力学如界面反应离子传输扩散速度和电化学反应交换电阻，从储钠空间延伸、协同极化降低、充放电平台扩展、结构稳定性强化等方面阐明复合结构的储钠增强效应。分析研究复合电极的表面电容储钠效应和本体电池储钠效应的量化贡献关系。研究分析复合电极中钠离子的存储/释放和伴生的碳层间距变化的内在关联性，并建立碳层间距变化量对储钠能量的量化监控机制和模型，为高性能钠离子型有机混合超电容电极材料的发展提供有价值的理论基础和实验依据。

电极材料是钠/锂离子储能系统的重要组成部分，设计制备新型高性能的电极材料具有重要的学术和应用价值。本项目运用膨化技术和高导电集流体一体化电极设计策略，设计合成了一系列高导电三维交联多孔碳材料及其复合电极材料。通过构建三维多孔导电网络结构并原位复合纳米金属等策略，设计制备了膨化大米碳/镍，麦芽糖衍生碳/纳米金属颗粒等一体化电极，有效改善电极导电性及电化学活性，并探索了储钠储锂机制。主要研究成果如下：.（1）发展了气流膨化法制备三维等级多孔膨化大米碳材料，该新型碳材料具有等级多孔、轻质、高孔隙率等优点，有效提高了其储钠/储锂活性。并结合金属氯化盐溶液浸渍法制备植入纳米金属复合电极，进一步提升了高倍率容量，并揭示了多孔膨化大米碳和纳米金属颗粒的协同储能效应。.（2）开发了溶剂热法结合膨化大米等生物模板法设计了多种具有一维、二维、三维多孔结构的钛铌氧/氧化铌材料，并阐明了纳米钛铌氧/氧化铌材料原位组装生长机制。利用多层级孔隙结构的构建，提供了电子、离子的快速传输通道，从而提升高倍率和长循环性能。.（3）发展了化学气相沉积法制备了碳化钛纳米管阵列，阐明了碳化钛的化学气相法生长机制。并以此为载体复合SnS2活性体，进一步提升了能量密度，揭示了核壳材料的协同储能机制。.（4）发展了生物反应器及发酵法制备了多种霉菌碳，包括具有氮、磷元素原位掺杂的米曲霉孢子碳、木霉孢子碳、灰霉菌丝碳等。并以此为基础结合纳米多孔化设计和掺杂改性设计，原位复合纳米磷化镍、碳化铌及金属氧化物等多类材料，有效降低电极内阻、界面阻抗，提高反应可逆性并降低电化学反应极化。.（5）发展了一步式膨化碳化法制备具有强连接分支和良好导电性的交联麦芽糖碳材料，包括麦芽糖碳/硫化物等。该材料具有高的孔隙度、分层多孔结构和高导电率，可有效地提升高倍率下的电极反应动力学，并保持良好的循环稳定性。.相关研究成果已发表SCI收录论文9篇（包括Adv. Mater. 3篇、Adv. Energy. Mater. 2篇、Energy Storage Materials 1篇、Small Methods 1篇、J. Mater. Chem. A 1篇和Batteries & Supercapacitors 1篇），授权国家发明专利6项；培养博士生2名，硕士生3名。参加国内外学术会议5次，作为分会秘书长协助组织国际会议1次。