大面积有序MnO2复合纳米材料的电化学可控合成及其柔性储能器件研究

The performance of electrode materials is one of the most importance factors for supercapacitors. How to obtain high-performance electrode materials with high specific capacitance, long-term stability, and high power and energy densities via a large-scale and low-cost synthesis method has attracted considerable attention and still is a huge challenge in this filed. Electrochemical deposition has been recognized as a promising method to prepare the electrode nanomaterials because of its simplicity, ease of scale-up, low cost, and environmental friendliness. To develop the novel and high efficient energy conversion/storage materials, in this project, we will focus on the design and large-scale synthesis of porous MnO2-based composite nanoarrays on flexible commercial carbon cloth, self-made conductive polymer films or porous carbon thin films by electrodeposition from green aqueous solution and investigate their electrochemical properties and applications in all solid-state supercapacitors. The work proposed here specifically seeks to (1) elucidate the interface electrochemical behavior and mechanism of the energy conversion/storage materials; (2) realize the reasonable design and controllable synthesis of high-performance MnO2 based composite nanoarrays with excellent long-term stability; (3) fabricate high-performance all solid-state supercapacitors by using these as-synthesized MnO2 based composite nanoarrays. We are sure that this project will provide a new insight to the relationship between electrode materials and devices, but also provide important theory and experimental evidences on the conversion between chemical energy and electrical energy.

电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素之一，如何寻找和开发具有高比电容、高稳定性、高能量及功率密度的电极材料是目前储能研究领域的热点和难点。本项目针对新型高效能源转换与储存材料的分子设计及新型制备技术，提出以商用的碳布或自制备的导电聚合物和多孔碳薄膜作为柔性导电基体，利用电沉积方法设备需求简单、反应条件温和、形貌、结构与成分易于调控的特点；在绿色的水溶液体系中，系统深入地研究大面积有序MnO2复合电极材料的电化学可控合成及其界面协同机制和化学能/电能转换与存储的机理，并对柔性储能器件进行构建和组装，以期研制和组装出以MnO2复合材料为电极的高性能全固态柔性电容器，总结和归纳MnO2全固态电容器的构造与储能机理之间的内在规律；旨在实现高效、稳定储能材料的理性设计与可控合成，为揭示储能材料与器件中的结构与界面规律和化学能/电能转换与存储的基本过程与原理提供重要的理论与实验依据。

能源问题既是全人类共同关心的问题，也是我国社会经济可持续发展的重大需求。超电容器是介于二次电池和传统电容器之间的一种新型储能装置，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、对环境无污染等优点，是最有希望的绿色能源之一，在便携式电子产品、电动汽车和电力峰谷调节等领域具有广阔的应用前景；但其能量密度及循环稳定性有待进一步提升，需解决电极材料的导电性、结构的稳定性及复合电极材料的协同储能问题。本项目针对如何在保持高功率密度下提高储能材料的能量密度这一关键科学问题开展了大面积可控制备低成本、高性能储能材料和超电容器件研制的原创性研究。.主要科学发现如下：.（1）创新性地发展了基于电化学方法可控制备 MnO2 有序复合储能材料的新思路，实现了MnO2与碳/金属氧化物优势性能之间的耦合，解决了其电子传输与离子扩散速率较慢的瓶颈问题，大幅提升了其储能性能。为高容量、高倍率及高稳定性柔性储能材料的大面积可控制备提供了新方法。.（2）发现构筑具有大比表面积和多孔道结构的储能材料，可以有效提高材料间电子和离子的传导速率，同时增加材料的容量和倍率；阐明了其电子、离子传输的机理；为设计和制备新型储能材料提供了科学依据。.（3）研制了系列高工作电压、高能量密度及长寿命的柔性固态非对称超电容器；为研发新型可穿戴电子设备亟需的柔性高效绿色能源提供了新途径。.资助期内研究进展顺利，在国际知名学术刊物上发表21273290标注的 SCI 收录论文81篇(项目主持人作为通讯作者的总计31篇)，其中 IF > 10.0 的论文 22 篇，其中包括著名学术期刊Adv. Mater. (7 篇)，J. Am. Chem. Soc. (1 篇)，Nat. Commun. (1 篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (1 篇)，Energy Environ. Sci. (1 篇)，Nano Lett. (2 篇)；3篇论文入选 ESI- Highly Cited Papers。在国内外学术会议做特邀报告10余次。.科学意义：本项目阐明了储能材料结构与容量的关系，发展了几种大容量的柔性电极材料的大面积可控制备方法；在器件研制方面，发现了电极材料的稳定性、混合型超电容正负极匹配性存在的科学问题，并提出了有效的解决方案；设计和研制了多款新型柔性高比能量超级电容器。研究成果增进了纳米储能材料的物理与化学知识