石墨烯/聚苯胺的微观有序结构对电荷传输、存储的影响机理研究

Based on the investigation of new energy materials, this project aims to solve the partial polarization and electrochemical performance degradation caused by the inhomogeneity of electrical conductivity and high rate cycling..The project intends to use electrochemical technique to deposit micro/nanostructured polyaniline with controlled thickness and morphology on the surface of graphene. The control and fabrication of graphene/polyaniline composites with ordered microstructures can help to optimize the hybridization of graphene and polyaniline. Combined with electrochemical evaluation, the relationship between microstructure, especially the graphene/polyaniline interface structures, and electrochemical performance can be investigated. In addition, this project also focuses on the study of the relationship among microstructures, charge transfer and energy storage, which aims to clarify the effects of microstructures and electric conductivity on the redox reactions for polyaniline. The electrochemical investigation can be beneficial for illustrating the mechanism of electrochemical performance degradation. Due to the utilization of the synergistic effect between graphene and polyaniline, the composite electrodes can not only show high energy density, but also exhibit excellent cycling performance under large current..The graphene/polyaniline composite materials may become a dominate candidate as electrode material for supercapacitors with high capacity, excellent rate capability and long cycle life. The expected results of this project can be beneficial for the large-scale utilization of graphene in the supercapacitors and the design and fabrication of high-performance electrodes.

本项目是课题组在长期研究新能源材料的基础上，为解决电极材料微观导电不均一性导致的局部极化、消除高倍率充放电过程中电极材料电化学性能劣化而提出的。.本项目拟利用电化学技术在石墨烯纳米片表面制备厚度、形貌可控的纳米聚苯胺，从纳米尺度上控制和优化电极材料之间的复合，即控制石墨烯与聚苯胺界面的微观结构，构筑微观有序的石墨烯/聚苯胺复合电极材料，深入研究复合电极材料结构与电化学性能之间的关系，特别是石墨烯/聚苯胺界面的微观结构与电化学性能的关系；研究复合电极材料微观结构与电荷传输、存储的关系，揭示复合电极材料的微观结构、导电性能对聚苯胺氧化还原性能的影响，阐释循环性能劣化的机理。利用两类材料的协同效应，在提高复合材料能量密度的同时，大幅度改善电化学电容器大电流充放电条件下的循环性能。.本项目的研究结果可以为石墨烯在电化学电容器中的应用、为设计和构筑新型高性能电容器电极材料提供有力的理论和技术支持

尽管聚苯胺类导电高分子材料已经在众多场合得到了广泛应用，但较差的高倍率循环稳定性能是限制其深入应用的关键问题。课题组在长期研究中认识到，出现此问题的主要原因是聚苯胺大量自发堆积造成局部极化，致使在高倍率充放电过程中电极材料的电化学性能极易劣化。本项目在四类碳基材料/聚苯胺体系中，利用电化学技术在石墨烯纳米片等碳基材料表面制备厚度、形貌可控的纳米聚苯胺。在纳米尺度上控制和优化电极材料之间的复合，即控制石墨烯与聚苯胺界面的微观结构，构筑了微观有序的石墨烯/聚苯胺复合电极材料。深入研究了复合电极材料结构与电化学性能之间的关系，特别是石墨烯/聚苯胺界面的微观结构与电化学性能的关系。研究了复合电极材料微观结构与电荷传输、存储的关系，揭示了复合电极材料的微观结构对聚苯胺氧化还原性能的影响及对循环稳定性的改善。.总体而言，本项目在研究的四类体系中均达到了控制聚苯胺沉积改变微观堆积形貌的目的，电化学性能也因此得到了明显的改善。其共同特征表现为沉积在石墨烯等碳基材料表面的聚苯胺不再是传统方法得到的棒状、“菜花”状等大量堆积状态，整体形态呈现为片状结构。这显然是聚苯胺的自组装成核机理发生了变化，平面结构的石墨烯为聚苯胺的自组装提供了模板，从而改变了聚苯胺的堆积形貌。该微观结构的变化使聚苯胺即使在高倍率充放电时也很容易保持氧化还原反应的可逆性，使复合材料表现出优异的高倍率充放电稳定性。除了上述聚苯胺自组装机理方面的研究外，本项目引入对苯二胺、苝二酰亚胺等具有平面结构的小分子。实验结果证明聚苯胺的聚合过程受到了影响，改变了聚苯胺的堆积形貌。碱处理过的苝二酰亚胺的加入促使苯胺的链引发速率增加了5个数量级，原因在于苝二酰亚胺经过碱处理后发生水解产生的新胺基更容易氧化，促进了苯胺的聚合。.本研究结果可以从理论和实践方面指导构筑导电高分子类复合材料，为设计制造大功率电池用电极材料奠定基础。