不锈钢无纺布基Li4Ti5O12@石墨烯/石墨烯@碳泡沫锂离子混合超级电容器

With the construction of new energy system and rapid development of electronic equipments, high demands are required for energy storage devices. Recently, lithium-ion hybrid supercapacitor(LIHS) has attracted great attention due to its high specific energy and large specific power. In this project, we propose to fabricate 3D Li4Ti5O12@Graphene composite nanoarrays on novel stainless steel non-woven fiber through a combination of hydrothermal and solid state reaction, and then construct the LIHS together with the graphene filled carbon foam. This device design is advantageous in providing large contact area between electrode and electrolyte, short ion diffusion length as well as direct, fast electron transport pathway. Moreover, no additives are needed during both positive and negative electrodes’ preparation process. By optimizing the nanostructure design, graphene coating or filling, and surface/interface control, it is expected to enhance the electron/ion transport rate, reduce the interface resistance, improve the electron collection efficiency, and finally acquire high energy and power density as well as long cycle life. Further investigations of the transportation law of the ions and electrons across the nano-electrode surfaces and electrochemical interfaces are revealed by the integration of cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, AC impedance, and so on. In the meantime, the dynamic rate control step and related dynamic information can be obtained as well. This can provide theoretical and experimental guidance for the future electrode and device design.

新能源体系建设和电子设备的飞速发展对储能器件提出了更高的要求，锂离子混合超级电容器由于具有高的比能量和比功率，近年来被广为关注。本项目拟通过结合水热法和固相法在新型不锈钢无纺布基底上制备三维有序Li4Ti5O12@石墨烯复合纳米阵列，并与石墨烯填充的碳泡沫构筑锂离子混合超级电容器器件。该器件设计具有大的两相接触界面、短的离子传输路径和直接快速的电子传输通道优势，且正负极材料在制备过程中均无需任何添加剂。通过纳米结构优化、石墨烯包裹/填充、表/界面调控，以期提高电子、离子传导速率，降低界面电阻，改善电子收集效率，从而获得高的能量密度、功率密度和长的循环寿命；通过一系列电化学表征如循环伏安法、恒电流充放电、以及交流阻抗等进一步研究纳米尺度下电极材料的表面及电化学界面离子、电子传输的规律，确定材料与界面的动力学速率控制步骤，获取相关动力学数据，为将来电极材料和器件的优化设计提供理论和实验指导。

随着混合电动汽车的发展以及其对高能量密度和高功率密度储能器件的需求，锂离子电池和超级电容器成为近年来被广泛关注的储能元件。由于同时使用了锂离子电池和超级电容器的电极材料，锂离子混合超级电容器拥有电池和电容的双重特性，有望应用于电动汽车、电气设备以及军事和航空航天设施等高能量大功率型的电子产品领域。电极材料的结构设计与调控对锂离子电池和超级电容器器件的性能有着重要的影响。.哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院周薇薇负责的国家自然科学基金，围绕如何提高上述电化学器件的能量密度和功率密度，以及电极材料在氧化还原过程中的表界面问题展开研究，在电极材料的结构设计、形貌调控、化学改性以及批量化制备等方面进行了系统探索。提出设计多级空间构造与多重组成分布的有效设计策略，围绕着微纳多级复合材料的设计、简便可控的制备工艺、高效的储能性能等主题展开，成功制备了一系列具备多级结构与复合组分的电极材料（NiCo-NiCo2O4@CNTs，NiO@C@graphene, ZnO-MnO@graphene, NiCo2S4@Ni(1−x)Cox(OH)2等）,并表现出优秀的电化学性能。同时研究了复合电极材料的制备机理与构筑策略, 并通过一系列电化学研究手段（循环伏安法，恒流充放电，电化学阻抗等）揭示了复合纳米结构在改善离子和电子传输方面的高效储能机制，发展了提高锂离子电池和超级电容器电荷传输效率以及结构稳定性的有效途径，为将来设计制备高性能、低成本的电化学储能器件提供了指导思路。