新型纳米空心结构锰基二元金属氧化物柔性电极材料的可控制备、结构调控及电化学储能机理研究

Flexible/bendable/wearable, portable, lightweight smart electronics have become an emerging and promising technology for next generation of optoelectronic devices, which provoked ever-increasing research interests in the corresponding electrochemical energy storage systems. This project intends to design a series of highly flexible Mn-based binary metal oxide hollow nanomaterials and study their controlled synthesis, structure modulation and electrochemical mechanism. The influences of chemical composition, microstructure, crystallinity, pore structure, electrical conductivity on the electrochemical performance of supercapacitors will be mainly focused to reveal the association relationship of composition, structure, and electrochemical performance in electrode materials and clarify the reaction mechanism. By optimizing the synthesis method, highly flexible Mn-based binary metal oxide nanomaterials with tailored structure, composition and morphology could be obtained. The obtained flexible Mn-based binary metal oxide nanomaterials will overcome the drawback of traditional bulk materials that have limited exposed active interfacial sites, poor electrical conductivity, and lower mass transfer efficiency, which will offer valuable guidance to improve the development of high performances supercapacitors.

目前光电子器件都向着轻薄、便携、有柔性/可折叠、可穿戴的方向发展，因此研发柔性的储能器件至关重要，对于这一领域的研究备受瞩目。本项目拟设计一系列新型纳米空心结构锰基二元金属氧化物柔性电极材料，系统研究该电极材料的可控制备、结构调控及电化学储能特性。重点探索材料的组成、微观形貌、晶体结构、孔结构、导电性能等物理/化学性质对其电化学储能特性的影响，揭示电极材料的组成-结构-性能之间的关联关系，阐明材料的储能机理。通过优化制备过程，获得组成、结构和形貌可控的锰基二元金属氧化物柔性电极材料。研究所开发的新型纳米空心结构柔性电极材料将克服传统粉体电极材料固有的有效活性位点数量少、导电性能差、传质效率低、易团聚等缺陷，为研发新型性能优异的超级电容器电极材料提供理论指导。

锰基氧化物电极材料因具有理论容量高、环境友好、价格低廉、来源广泛等优点而备受关注。本项目针对锰基氧化物面临的电导率低、结构稳定性差的缺陷导致电池循环寿命低的瓶颈问题，提出了将锰基氧化物与导电基底复合构建碳布@锰基二元金属氧化物柔性一体化电极的新思路，从根本上解决锰基氧化物电导率低和结构稳定性差的问题。项目执行期间，基本按照申请书中所列的内容展开研究，并进行了多个拓展性的研究。研究成果概括如下：（1）通过简单的水热法和煅烧后处理合成了锰基金属氧化物双层空心球，其中钴锰氧化物双层空心球（Co-Mn-DHS）用作超级电容器电极材料时具有高的比容量和优异的循环稳定性，进一步将其组装成非对称电容器时不仅拥有长的循环寿命同时展现出高的能量密度和功率密度。（2）制备了碳布@锰基氧化物柔性一体化电极，碳布基底不仅便于电子传输同时能够缓解锰基氧化物在充放电过程中的结构应力有效改善了电池的循环寿命。（3）利用碳纳米纤维（CNFs）作为基底，合成了具有核-壳结构的CNF@钴-锰混合氧化物复合材料。碳纳米纤维表面包覆着一层致密的氧化物纳米片。复合材料在超级电容器中表现出优异的电化学稳定性，在10 A g-1 电流密度下经过10000次循环以后容量保持率高达96.9%。项目执行期间，在Journal of Materials Chemistry A, RSC Advances等期刊上发表于项目相关论文5篇，申请发明专利3件。