二氧化锰纳米材料的体相缺陷调控及其混合型超级电容器性能研究

The realization of high capacitive performance at high areal mass loading is still challenging for MnO2 based electrodes in practical application of hybrid supercapacitors. One major issue crucial for MnO2 based electrodes to achieve fascinating capacitive performance is its poorly intrinsic electron and ion transportation in materials and/or at interface. In this project, we propose to prepare MnO2 nanomaterials with high capacitive performance (at high mass loading level) via manipulating the oxygen vacancy (Vo) in bulk phase. These materials will serve as a perfect platform for elucidating the effect of bulk phase Vo on electrical conductivity, chemical charge storage mechanism, capability in different ion systems (Na+, Li+, K+), and cycle stability of MnO2 electrodes. Our work will provide important insights in design and fabrication of intrinsically modified electrodes with high capacitive performance (high specific capacitance, rate capability and cycle stability at high mass loading), and thus, advancing the performance of hybrid supercapacitors.

高载量情况下较差的电容性能始终制约着MnO2正极材料在混合型超级电容器中的广泛应用。如何改善MnO2本征较弱的电子传导以及离子传输性能，是其关键性问题。本项目利用缺陷化学理论，拟通过微纳调控和体相缺陷调控策略，结合化学合成、改性方法，设计制备出高载量下具有优异电导性能、高赝电容贡献比率、倍率性能优越及循环稳定性好的缺陷型MnO2纳米材料。系统深入地研究体相氧缺陷的位置、含量对MnO2纳米材料的导电性及电容性能的影响规律和调控机制；研究缺陷型MnO2的赝电容机理及不同电解液阳离子扩散机制。在认知体相缺陷调控电子传导及离子传输机制的基础上获得优化的高载量下电容性能优异的缺陷型MnO2纳米材料，并基于此正极进行混合型超级电容器的构建和研究，为最终研制出高性能、实用性强的混合型超级电容器提供重要的理论和实验依据。

高载量情况下较差的电容性能始终制约着过渡金属氧化物（如MnO2、Fe2O3、Co3O4等）电极材料在混合型超级电容器中的广泛应用。如何改善过渡金属氧化物本征较弱的电子传导以及离子传输性能，是其关键性问题。本项目利用缺陷化学理论，通过微纳调控和体相缺陷调控策略，结合化学合成、改性方法，设计制备出了高载量下具有优异电导性能、高赝电容贡献比率、倍率性能优越及循环稳定性好的缺陷型过渡金属氧化物纳米材料。系统深入地研究了体相氧缺陷的位置、含量对过渡金属氧化物纳米材料的导电性及电容性能的影响规律和调控机制；研究了缺陷型过渡金属氧化物的赝电容机理及不同电解液阳离子扩散机制。在认知体相缺陷调控电子传导及离子传输机制的基础上获得优化的高载量下电容性能优异的缺陷型过渡金属氧化物纳米材料，并基于此电极进行混合型超级电容器的构建和研究，为最终研制出高性能、实用性强的混合型超级电容器提供了重要的理论和实验依据。取得主要成果如下：.1)发展了多种简单、普适性强的对过渡金属氧化物电极材料进行表面化学修饰的新方法，在化学修饰的同时在表面及体相引入氧缺陷，实现了电极表界面更为高效的储能反应动力学，显著提高了氧化物储能材料的电子、离子传输速率和容量。.2)提出了基于氧缺陷调控实现固液界面耦合作用的电极材料设计思路和限域调控方法，有效提升电极荷质传输效率和储能容量，研制了基于双电解液的水系混合型超级电容器器件。