锂离子电容器负极用高性能多孔超细钛酸镁/碳复合材料的设计、合成及电极构筑

Lithium ion hybrid supercapacitors (Li-HECs) have become a promising energy storage device for next generation of (hybrid) electric vehicles and smart grid because of their excellent properties such as high energy and power density, long cycling life and high safety.The electrode materials play key roles on the electrochemical performance of the Li-HECs. Therefore, anode and cathode materials which are of high capacity, high power and low cost, are still in imminent demand, especially for industrial applications. In this proposal, high-performance porous nano-sized MgTi2O5/C anode materials and associated electrode fabrication process are proposed for Li-HECs. Magnesium based coordination complexes driven from the magnesium halide in salt lakes will be used as precursor for the synthesis of porous nano-sized MgTi2O5/C anode materials. Systematic study will be conducted to reveal the impacts of the porous structure, surface area and carbon contents of MgTi2O5/C composites on the lithium ion insertion and extraction behaviors, capacity, rate performance and cost. The quantitative relations of the intrinsic capacity of MgTi2O5/C and anode electrode structure over the energy density and power density of the Li-HECs will be investigated as well. The synthesis process of MgTi2O5/C materials and the fabrication process of MgTi2O5/C-based anode will therefore be optimized. The results obtained in this project will be beneficial to the development of lithium ion capacitors and massive utilization of magnesium sources of the salt lakes.

锂离子超级电容器是一类兼备高能量密度和功率密度、长寿命以及高安全性的的新型储能器件,有望应用于电动汽车和其它储能领域。电极材料作为决定电容器性能的关键因素之一，是目前研究的热点和重点。开发具有高比电容量、大比功率以及长循环寿命的复合电极材料以提高混合型超级电容器的能量密度和功率密度是实现其产业化的关键环节，具有重要的理论和实际意义。本项目从高效利用盐湖丰富的镁资源出发，采用镁基配合物为前驱体，设计、合成锂离子电容器用多孔结构的超细钛酸镁/碳复合负极材料并研究其电极制备工艺。通过改变材料的孔结构、比表面积和碳含量调控其嵌/脱锂性能，实现该材料的高比容量、高倍率性能和低成本制备工艺。通过研究电极制备过程中材料的本征容量和电极结构对其能量和功率密度的定量关系，获得其高效制备工艺及优化方法。本项目的研究成果，将有助于开发高性能的锂离子电容器，为盐湖镁资源的大规模利用提供新的途径。

锂离子超级电容器是一类兼备高能量密度和功率密度、长寿命以及高安全性的的新型储能器件,有望应用于电动汽车和其它储能领域。电极材料作为决定电容器性能的关键因素之一，是研究的热点和重点。开发具有高比电容量、大比功率以及长循环寿命的复合电极材料以提高混合型超级电容器的能量密度和功率密度是实现其产业化的关键环节，具有重要的理论和实际意义。本项目针对高效利用盐湖丰富的镁资源的技术难题开展相关基础研究,从构建“镁基复合氧化物/碳”作为锂离子超级电容器的负极材料出发，采用镁基配合物为前驱体，制备了锂离子电容器用多孔结构的超细“钛酸镁/碳”复合负极材料。电化学性能表明，该材料作为嵌锂材料，表现出与石墨相当的比容量（首圈库伦效率较低）和比石墨更好的倍率性能；作为嵌钠材料，表现出较高的比容量和优异的倍率性能（为钠离子电池/电容器的负极材料研发提供新的方向）。在项目的资助下，研究了锂离子电容器用高性能尖晶石正极材料的制备并实现了锰酸锂基正极材料的中试（有望产业化）。基于自制的锰酸锂为正极，“钛酸镁/碳”为负极，成功组装了锂离子混合电容器并测试了其充放电性能（需进一步优化以提高其电化学性能）。另外，在项目的资助下，创建了以盐湖废弃物CaCl2/MgCl2为活化剂热解生物质废弃物制备了具有高比电容性能的氮掺杂碳材料的方法，研究并首次发现了镁基水系电解液用于氮掺杂多孔碳材料可以提高材料的比电容和倍率性能。因此，本项目的研究成果将为盐湖镁资源的大规模利用提供新的可能途径。项目完成后，在Adv. Energy. Mater., J. Mater. Chem. A 和 Chem. Commun.等主流期刊上共发表SCI论文11篇（另外还有2篇论文已接受发表），申请发明专利3件（授权1件），参加国际（国内）会议4次（3次邀请/口头报告）。论文发表后，得到广泛引用（SCI他引近300次，ESI高被引论文3篇，ESI热点论文1篇）和正面评价。基于此，一维纳米结构的MgTi2O5在太阳能电池和光催化分解水产氢领域的应用研究也得到更多关注。