钠离子电容器用负极材料FeTiO3的结构设计及性能调控

Sodium ion capacitor integrates the energy storage mechanism of sodium ion battery and supercapacitor, which has the advantages of high energy density, high power density, long cycling life and so on. It has become a research hotspot in the field of energy storage in recent years. However, the lack of high performance electrochemical sodium storage materials has become a key factor restricting the development of sodium ion capacitors. This project intends to research a novel ternary metal oxide-FeTiO3. Its electronic conductivity and ion transfer rate can be notably improved by constructing FeTiO3-carbon multidimensional composite and adjusting the structural defects of FeTiO3, thus obtaining excellent electrochemical sodium storage performance. Based on in-situ/ex-situ physical characterization and electrochemical testing techniques, the phase and structure change of the material during charge and discharge process can be deeply understood in principle, and the scientific relationship between the morphology, structure and composition of the modified FeTiO3 and its conductivity, specific capacity, rate performance and cycle stability can also be revealed. Based on the above research, the FeTiO3//AC sodium ion capacitor can be further designed and constructed, the electrochemical reaction kinetics of cathode and anode and the dynamic matching between them should be studied deeply, and its working mechanism should also be revealed. The project is expected to provide new insights for the design of anode materials for high performance sodium ion capacitor and promote the development of new kinds of sodium ion capacitor devices.

钠离子电容器集成了钠离子电池和超级电容器的储能机制，兼具高能量密度、高功率密度、长寿命等优点，已成为近年来储能领域的研究热点。然而，缺少高性能电化学储钠材料成为制约钠离子电容器发展的关键因素。本项目拟研究一种新颖的三元金属氧化物FeTiO3，通过构筑具有优异结构的FeTiO3-碳多维度复合材料和调控FeTiO3结构缺陷以提高材料的电子导电性和离子传输速率，进而获得优异的储钠性能。结合原位/非原位物性表征手段和电化学测试技术，从原理上理解材料在充放电过程中发生的相变化和结构变化，揭示改性FeTiO3形貌、结构及成分与其导电性、比容量、倍率特性、循环稳定性之间的科学关系。基于以上研究，进一步设计并构建FeTiO3//AC钠离子电容器，深入研究正负电极电化学反应动力学及二者之间的动力学匹配，并阐明其工作机理。项目研究有望为设计高性能钠离子电容器用负极材料提供新思路，促进新型钠离子电容器的发展。

近年来，对实现新型高性能储能器件电极材料的基本需求引发了研究人员巨大的努力。本项目围绕电极材料结构调控、微观机理揭示以及高性能储能器件构筑等做了一些工作，主要成果如下：.(1) 采用自主研发的原位磁性测试技术，揭示了过渡金属化合物Fe3O4锂离子电池额外容量来源于金属Fe颗粒的自旋极化表面电容，该工作提出了自旋极化电容理论模型，量化出了金属颗粒的表面电容，与电化学测试结果高度一致。在实验上直观的证实了空间电荷存储机制，并明确了电子存储位置。.(2) 采用原位磁性测试技术监测过渡金属的电荷转移，在实验上直观地证实了金属钴颗粒对在其表面生长的聚合物凝胶状膜起到了关键的催化作用，该工作不仅结合了之前提出的自旋极化表面电容机制，又为“凝胶状聚合物膜生成与分解”机制提供了有力的实验证据。该工作为研究金属离子二次电池中的过渡金属的催化行为开辟了一条新的道路。.(3) 采用原位磁性测试技术探测过渡金属硫化物钠离子电池储能机制，揭示了理论上具有相似储钠/储锂工作机制的FeS2电极材料储钠容量低且衰减快的根源，即材料内部的“未反应核”和表层的颗粒粉化。该工作为将来设计新型的钠离子电池电极材料提供了理论支撑。.(4) 证实了FeSe2//Al电池内部储铝机制涉及多种阴离子和阳离子的氧化还原反应（Cl-、AlCl4-、Al3+）。并进一步采用原位磁性测试证实了自旋极化电容存在于铝离子电池体系，表明Al3+也可作为电荷补偿与电子形成空间电荷区。电化学测试结果显示经过改性的FeSe2材料展现出极佳的储铝性能，具有工作电压高、放电容量大、循环寿命长等诸多优势。该工作揭示了全新的涉及多种阴离子和阳离子氧化还原反应的储铝机制，为设计制备具有优异电化学性能的铝离子电池电极材料提供了重要理论依据。.(5) 采用一系列新颖的方法设计制备出了FeTiO3、Fe2(MoO4)3等电极材料，构筑了性能优异的锂、钠离子电池、混合离子电容器器件，并揭示了其构效关系，为高性能电池、混合离子电容器的设计与优化提供了理论与实验基础。