超级电容器用聚偏氟乙烯/碳酸钾复合膜电极材料的制备与性能研究

As a new energy storage device，supercapacitor has drawn great attention by academic circles and industrial circles.The electrode materials are the key factor of the performance of supercapacitor. The electrode materials for supercapacitors are nowadays carbon materials, transition-metal oxides, electronically conducting polymers and hybrid composites. The activated carbon could be derived from the compositing of the insulating polyvinylidene fluoride (PVDF) and K2CO3, and its KOH activation. Selecting the PVDF and K2CO3 composite membrane as the electrode material for supercapacitor, the research of the project will pay special attention to the following key scientific issues, i.e., quantity of the electroactive materials in PVDF/K2CO3 composite membrane electrode material; mechanism of energy storage and its control technique of PVDF/K2CO3 composite membrane electrode material; the electrochemical performance of PVDF/K2CO3 composite membrane electrode material deposited on the different current collectors, such as nickel form and aluminum foil; the electrochemical performance of PVDF/K2CO3 composite membrane electrode material in aqueous electrolyte or organic electrolyte; the electrochemical performance of composites of PVDF/K2CO3 with carbon materials or metal oxides. The research of the project is much more important, which follows the frontier and hotspots of the electrode materials research. From the researches of the project, the electrode materials with high performance and the techniques with Knowledge Right can be obtained. The results of the research will possess great significance in large-scale application and the technical development of supercapacitor.

超级电容器作为一种新型储能器件受到产业界和学术界的高度关注。电极材料是超级电容器性能的关键，目前超级电容器用电极材料主要是：碳材料、金属氧化和氢氧化物、导电聚合物以及它们的复合材料。绝缘的聚偏氟乙烯（PVDF）与碳酸钾复合及KOH活化可产生活性炭，本项目提出以PVDF和碳酸钾的复合膜材料为超级电容器用电极材料，主要研究这些关键科学问题：PVDF/碳酸钾复合膜电极材料的电活性物质定量；PVDF/碳酸钾复合膜电极材料的储能机制及其调控技术；PVDF/碳酸钾复合膜电极材料沉积在如泡沫镍、铝箔等不同集流体上的电化学性能；PVDF/碳酸钾复合膜电极材料在水性电解液、有机电解液中的电化学性能；PVDF/碳酸钾复合材料与碳材料、金属氧化物等复合的电化学性能。本项目是重要的电极材料的前沿和热点研究；可望获得高性能电极材料自主知识产权和发明专利；研究结果对超级电容器的广泛应用及技术发展具有重要意义。

本项目在聚偏氟乙烯与聚苯胺和氢氧化钾复合膜电极材料、金属银掺杂氧化锰电极材料、硫钴镍/碳/硫化钼复合电极材料、NiO/LaNiO3复合薄膜电极材料、镍钴金属化合物及其与还原氧化石墨烯复合电极材料的制备与性能，以及相关超级电容器电化学性能等方面，开展了大量深入细致的研究工作。.研究了聚偏氟乙烯与导电聚苯胺、氢氧化钾复合膜电极材料的电化学性能。用复合膜电极材料组装的液态对称型超级电容器的面电容密度达到753 mF cm-2，面功率密度为6.8 mW cm-2时面能量密度达到108 µWh cm-2；所制备的柔性固态对称型超级电容器面电容密度达到671 mF cm-2，面功率密度为5mW cm-2时面能量密度达到75 µWh cm-2。. 研究了掺银氧化锰电极材料的电化学性能。所制得的掺银氧化锰最高比容量为398 F g-1。将掺银氧化锰电极材料组装成对称袋式电容器，其功率密度为199.9 W kg-1时对应的能量密度有13.42 Wh kg-1，当功率密度增大为4002.86 W kg-1时能量密度仍然有4.67 Wh kg-1。.研究了硫钴镍/碳/硫化钼复合电极材料的电化学性能。该复合电极材料在0.5A/g的电流密度下比容量达到1601 F g-1，将该复合电极材料作为正极材料，活性炭作为负极材料组装成非对称超级电容器，器件在功率密度400 W kg-1时，能量密度达到27.7 Wh kg-1；功率密度达到8 kW kg-1时，能量密度仍有14.4 Wh kg-1。.研究了NiO/LaNiO3复合薄膜电极材料的微观结构和电化学性能，所制备的NiO/ LaNiO3复合薄膜电极材料的比容量达到2030 F/g。.研究了镍钴金属化合物与还原氧化石墨烯复合电极材料的电化学性能。镍钴层状双氢氧化物与还原氧化石墨烯复合电极材料的比容量最高达2325 F g-1，将复合材料作为正极活性材料与活性炭组装成非对称超级电容器，器件的能量密度高达32.2 Wh/kg，当最大功率密度为6905 W/kg时，能量密度仍然有23.2 Wh/kg。.本项目取得了丰硕的研究成果，发表相关研究论文13篇，其中12篇为SCI论文。获得了一项授权美国发明专利，五项授权国家发明专利，申请了两项国家发明专利，项目负责人均为第一发明人。