先进CHS结构柔性复合负极材料的可控制备及其储能构效关系研究

In order to satisfy the application requirement of portable electronic devices of the future society, the materials of electrode have not only the larger energy density and power density, but also has the good flexibility and machinability, if the high performance flexible energy storage does not to develop device, it will the key to the flexible electronic products are widely used.This project choose lightweight flexible foam carbon materials as a collection of fluid, using the method of ALD, displacement method and secondary water hot method to build advanced CHS composite electrode structure,based on the material and energy transport, heterogeneous interfacial interaction, the response of nanomaterials in the field of study, the key technologies to be found through multiple advanced CHS electrode was design, the structure of the extracted universal property law, from a deeper level to parse the electrode material of nano structural unit in growth in the process of evolution and the relationship between the electrochemical performance. The project is the first time to present the CHS structure design of lightweight flexible composite electrode materials and the structure-property relationship; we believe that the flexible electronics will be realized which has more excellent performance, novel structure with the deepening of the research.

为了满足未来社会便携式电子器件的应用需求，电极不但要有较大的能量密度和功率密度，还要有良好的柔韧性和可加工性，能否开发出高性能柔性储能器件，是柔性电子产品广泛应用的关键之一。本项目选用轻质柔性发泡碳材料作为集流体，利用ALD法、置换法和二次水热法等来构建先进CHS结构复合电极，通过对该材料中物质和能量的输运、异质界面的交互作用、纳米材料在外场中的响应研究基础上，掌握多元CHS先进电极设计可控制备的关键技术，找到一些结构与物性的定量关系，提炼出普适的结构物性规律，从一个更深的层次来解析电极材料中的纳米结构单元在生长过程中的演化规律及其与电化学性能之间的关系。本项目首次提出轻质柔性CHS结构复合电极材料的设计及构效关系探究，相信随着研究的深入，更多性能优异、结构新颖的柔性电子产品将得以实现。

随着智能可穿戴/便携式电子设备的飞速发展，高性能柔性储能器件受到了国内外研究者的广泛研究。开发具有高的能量密度又有较大功率密度的储能器件，不仅依赖于电极材料的种类选择，还得依靠先进电极结构的设计。我们的主要研究内容是选用轻质柔性材料作为一体化集流体，通过在其表面构建“核-空-壳”（CHS）纳米化结构阵列来提高复合电极材料的电化学储能性能。在本项目中我们首先选用轻质柔性泡沫镍作为基底材料，随后通过水热生长法，构建了CuCo2O4@C核壳阵列电极材料并探究其储能性能。电化学测试表明材料的C壳能够提高复合材料的导电性，并提高器件在充放电过程中的稳定性。本项目接着研究TiN@石墨烯的制备及其在锂硫电池方面的应用。我们以PS球为模板，采用喷雾干燥法构建类石榴状的TiN@石墨烯材料，将中空氮化钛球分布在三维石墨烯骨架中。通过进行多硫化物溶液的吸附实验，发现TiN能够很好的吸附多硫化物。此外，我们还对以废旧织物为基底的柔性电极CoNi-LDH@PCPs的储能性能进行探究，研究结果显示该材料不仅仅具有优良的柔韧性，同时也具有较高的能量密度，本工作为柔性器件的研究开拓了一种新的思路，这对于柔性器件的发展具有重要意义。本项目还研究了Cu、N共掺杂的多孔碳网在锂硫电池中的应用，首先通过冷冻干燥的方法合成了Cu、N共掺杂的多孔碳网，接着对其进行固硫并组装成电池。最后测试了该电池的电化学性能功能，并通过计算分析了Cu、N共掺杂的多孔碳网对多硫化物的吸附作用。进一步研究了以CNT为基底的三维CHS结构纳米材料的制备及其在储能方面的应用。我们通过硬模板法构建了CHS纳米结构来改善和提高复合电极材料的电化学储能性能，CHS纳米结构不仅仅增加了复合材料的比表面积，也增加活性材料与电解液的接触位点，提高活性材料本身的利用率，达到了材料的整体性能提高和优化，为CHS复合材料结构的设计及其在储能方面的应用提供了新的思路和依据。