多孔有机网络作为模型结构研究超级电容器电极材料的结构-性能关系

Supercapacitors have attracted great attention as a kind of high power density, fast charge-discharge energy storage devices. Nevertheless, their relatively low energy density severely limited their broader applications. From the stand point of material, the energy density is essentially depending on their own structural properties, such as specific surface area, pore size distribution, heteroatom doping, etc. However, the previous studies still can not clarify the influence of these structural properties to supercapacitor performances, especially for the high-voltage ionic liquid-based supercapacitors. This project is focusing on precisely constructing electrode materials on molecular level with control variate method, in order to respectively study the connection between each of the structural property and the supercapacitor performances, and finally enhance the overall performances of supercapacitors. During the above process, a class of new material system, porous organic networks (PONs, network materials with accurate structures built by the polymerization of rigid organic molecules) are used as model structures. Constructing electrode materials directly from PONs instead of small organic molecules shorten the synthesizing procedure of electrode materials in the perspective of molecular weight, which makes their structures more controllable. Moreover, the diversity of PONs structures provide an ideal platform for finely tuning the structures of electrode materials.

超级电容器作为一类高功率密度、快速充放电的储能器件受到人们广泛的关注。然而其相对较低的能量密度极大地限制了其应用范围。从材料的角度考虑，能量密度本质上取决于电极材料自身的结构特征，例如比表面积、孔径分布、杂原子掺杂等。但是，以往的研究并不能明确各个结构特征与超级电容器（尤其是高电压离子液体基超级电容器）性能之间的关系。本项目致力于利用控制变量法通过分子尺度的结构设计精确控制电极材料结构，分别探讨各个结构特征与超级电容器性能之间的关系，最终提高超级电容器的整体性能。其中，应用了一类新型材料体系多孔有机网络（有机小分子通过固定的反应形成的结构精确的网状材料）作为构建电极材料的模型结构，与由小分子出发构建材料相比，从分子量的角度缩短了电极材料的构建过程，提高了对材料结构的可控性；多孔有机网络丰富多样的骨架结构也为电极材料结构的精细调控提供了一个理想的结构平台。

超级电容器作为一类高功率密度、快速充放电的储能器件受到人们广泛的关注。然而其相对较低的能量密度极大地限制了其应用范围。从材料的角度考虑，能量密度本质上取决于电极材料自身的结构特征，例如比表面积、孔径分布、杂原子掺杂等。但是，以往的研究并不能明确各个结构特征与超级电容器（尤其是高电压离子液体基超级电容器）性能之间的关系。本项目致力于利用控制变量法通过分子尺度的结构设计精确控制电极材料结构，分别探讨各个结构特征与超级电容器性能之间的关系，最终提高超级电容器的整体性能。其中，应用了一类新型材料体系多孔有机网络（有机小分子通过固定的反应形成的结构精确的网状材料）作为构建电极材料的模型结构，与由小分子出发构建材料相比，从分子量的角度缩短了电极材料的构建过程，提高了对材料结构的可控性；多孔有机网络丰富多样的骨架结构也为电极材料结构的精细调控提供了一个理想的结构平台。本项目截至目前共发表SCI论文3篇（包括J. Am. Chem. Soc.一篇）,申请发明专利3项。研究还得到了一系列对于多孔网状材料结构设计以及超级电容器电极材料设计具有指导意义的结论。