高能量密度层状Co(OH)2插层电化学电容器研究

In view of the problem of low energy density for electrochemical capacitors, the research on a new kind of intercalation electrochemical capacitor will be carried out based on layered α-Co(OH)2. Relying on the tunable interlayer spacing of α-Co(OH)2 through ion exchange reveals the correlation between interlaying spacing and capacitor performance, and develops the corresponding electrochemical model from the viewpoint of layered structure, ion diffusion and electrochemical reaction mechanism. On the basis of optimizing the interlayer spacing according to the model above, the fast diffusion of solution ions in the gallery can be realized in charge/discharge process, reaching a sufficient utilization of inner active sites and attaining a high capacity. Furthermore, the work potential of electrodes in aqueous solution will be raised by covered with the ion selective permeation coating layer which performance can be improved by doping or compositing, to bring the advantage of high specific capacity into full play and prepare electrodes with high energy density. The successful implementation of this project will offer certain theoretical supports for the design and preparation of high energy density intercalation electrochemical capacitors, and expand the related material system. This is significant both from the viewpoint of theory and practical application.

针对目前电化学电容器能量密度低的问题，将基于层状α-Co(OH)2开展一种新型的插层电化学电容器的研究。 通过离子交换调节α-Co(OH)2的层间距，揭示层间距与电容器性能的关系，综合层状结构特征、离子扩散和电化学反应机制三方面建立相关的电化学模型，在此基础上优化层间距大小，实现充放电过程中溶液离子在层间的快速扩散，达成材料内部活性位置的充分利用，得到高的比容量。进一步采用离子选择透过性膜的包覆提高电极在水溶液中的工作电位，通过掺杂或复合优化包覆膜性能，充分发挥高比容量的优势，制备出高能量密度的电极材料。本项目的成功实施，将为高能量密度插层电化学电容器的设计与制备提供一定的理论支持，并拓展相关的材料体系，具有重要的理论和实际应用价值。

项目聚焦提升电极材料的能量密度，针对超级电容器和碱金属离子电池负极材料面对的问题，在电极材料设计中引入二维材料，提出了基于二维材料的解决方案。通过扩展层状材料层间距和构筑二维材料异质结两种不同方案，提升离子扩散和电子传导速率，显著提升了活性材料内部活性位置的利用率，提高了电容器的能量密度，这说明了微观离子扩散尺寸对电极性能具有重要决定作用，并且微观有序、功能互补材料构筑方法可以有效的提升材料利用率；二维异质结策略也可以应用于高比能碱金属离子电池负极材料的设计制备，进一步证实了“微观有序、功能互补”的策略是高比能电极材料的重要设计原则；利用二维材料表面丰富的官能团，发展了通过原位反应在二维材料表面制备均匀纳米活性物质的方法，二维材料大大改善了材料的导电性，为离子和电子的快速传输和扩散提供了有效的通道，有利于提高电极材料的反应动力学。独特的片状结构可以作为优良的缓冲层，减缓Si在循环过程中的体积膨胀，通过原位反应形成的化学键和，可以提升复合材料之间的电子传导效率，进一步提升材料的循环稳定性。