纳微结构多孔碳/金属氧化物复合材料的制备、修饰及超级电容特性

Electrode material is one of the key factors to decide the performance of supercapacitors. Nowadays, special attention has been paid to obtain electrode materials with both high specific capacitance (including specific capacitance based on the volume and the mass) and high electrical conductivity. In this proposal, nano/micro hierarchical structured porous carbon/metal oxide composites will be synthesized, for enhancing the specific capacitance of the electrode materials. In essence, firstly, porous carbon with controlled nanostructure and surface chemical properties are prepared, and then metal oxides are synthesized in situ on the surfaces of the porous carbon. After that, graphene is synthesized in situ on the surfaces of porous carbon/metal oxide composites to further enhance their conductivities. The principles and methods of uniform mixture of porous carbon and metal oxides, together with peeling technique of graphene on the surface of composites will be studied. The relationships between nanostructure, chemical composition and energy storage mechanism will be systemically studied and the energy storage mechanism will be unveiled. Furthermore, by optimizing the electrolytes and forming hybrid supercapacitors using asymmetric electrodes, the working voltage range of the supercapacitors can be widened. The suitability of principle between the electrode material and the electrolyte, together with the matching criteria of asymmetric electrodes can be thus unveiled. The outcome of this proposal can help pave the way to supercapcitors with high energy density, high power density and low cost.

电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。如何获得兼备高比电容（包括体积比电容与质量比容量）与高电导率的电极材料，是目前超级电容器电极材料的研究热点。本项目拟制备出微结构和表面化学环境可控的多孔碳材料，并以其作为载体原位复合纳米金属氧化物形成纳微复合结构电极材料，来提高电极材料的比电容，并进一步通过石墨烯的原位表面修饰来提高复合电极材料的电导率。研究多孔碳与金属氧化物均匀复合的原理和方法以及石墨烯在复合电极材料表面的原位剥落工艺；深入分析纳微结构复合电极材料的显微结构、化学组成与电化学储能的关联性，揭示其储能机理；同时通过优化电解液以及采用不对称电极构建混合型电容器来提高工作电压；揭示电极材料与电解液的适配性原则以及不对称电极的匹配准则。本项目研究结果为开发兼备高能量密度、高功率密度以及低成本的超级电容器奠定科学基础。

超级电容器作为一种新型绿色能源存储器件，在交通、移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域具有极其广阔的应用前景。目前国内外对超级电容器的研究趋势及研究重点仍是进一步提高其比功率、比能量和降低成本。本项目选用适当的碳前驱体（如脱脂棉、玉米芯海绵体、三聚氰胺泡沫等），通过优化炭化温度、活化工艺以及进一步表面杂原子（如氮、硫）官能化，制备了一系列具有高比面积、高电导率和高比电容的多孔碳材料。在此基础上，通过与石墨烯、金属氧化物、硫化物等复合，进一步提高了复合电极材料的比容量（包括体积比电容和质量比容量）；开发了多种新颖的石墨烯、石墨烯气凝胶的制备工艺、生物质衍生物碳化棉花制备和活化方法、石墨烯/多孔碳、石墨烯与金属氧化物、金属硫化物、金属铁氰化物复合方法以及石墨烯在复合电极材料表面的原位制备工艺；深入分析了纳微结构复合电极材料的显微结构、化学组成与电化学储能的关联性。在此基础上，通过优化正、负极的质量比以及筛选适合的电解质体系（包括水系、有机体系以及聚合物电解质体系），获得高比能量、高比功率和低成本的柔性固态超级电容器。本项目研究结果为开发兼备高能量密度、高功率密度以及低成本的超级电容器奠定了科学基础。依托本项目，共发表学术论文64篇，其中SCI收录63篇，特约综述1篇；申请发明专利11项，已授权3项，其中1项已经转让；参加国内外学术会议30余人次；邀请境外专家来访6人次；培养出站博士后1名，并晋升副教授和博士生导师；培养毕业博士研究生4名、硕士研究生10名。