超级电容器电极材料结构与性能关系研究——以结构可调控的石墨烯/二氧化锰杂化空心微球为研究对象

The design and preparation of high-performance electrode materials is one of research hotspots in the field of supercapacitors. Because the structure shows vital effect on the electrochemical properties of electrode materials of supercapacitors, the relationship between structure and performance of electrode materials of supercapacitors has become a key scientific question to be solved immediately. In this project, graphene/manganese dioxide composites were chosen as research targets. By means of electrostatic self-assembly and polystyrene microsphere sacrificial template method, graphene/manganese dioxide composites with hollow, porous and multi-shell hybrid microsphere structures were tunably prepared from the view of struture design. To further reveal the relationship between the structure and electrochemical performance of electrode materials of supercapacitors, the effect of structure factors (such as pore structure, distribution and proportion of components, specific surface area) on the electrochemical performance of the hybrid microspheres will be studied systematically, and the mechanism of synergistic effect of each component on the electrochemical properties of the hybrid hollow microspheres will also be investigated. Meanwhile, the structure characteristics of the hybrid hollow microsphere and other common graphene/manganese dioxide composites will be studied comparatively. Therefore, this project will offer a new idea for structure design of high-performance supercapacitor electrode materials, and further deepen the understanding of the relationship between structure and performance of the electrode materials for supercapacitor, and provide theoretical foundation and experimental proof for the design of high-performance supercapacitor electrode materials.

高性能电极材料的设计制备是超级电容器领域的研究热点之一。由于电极材料的结构对其电化学性能有着至关重要的影响，因此，超级电容器电极材料结构与其性能之间的关系已成为该领域亟待解决的关键科学问题。本项目以石墨烯/二氧化锰复合材料为研究对象，从结构设计出发，借助静电自组装和聚苯乙烯微球牺牲模板法，可控制备一种具有中空、多孔、多壳层杂化微球结构的石墨烯/二氧化锰复合材料。通过系统研究杂化微球的孔结构、组分分布及比例、比表面积等结构因素对其电化学性能的影响，以及复合材料各组分对于其电化学性能的协作贡献机制，同时对比研究杂化微球与其它常规石墨烯/二氧化锰复合材料的结构特点，以期进一步揭示超级电容器电极材料结构与性能之间的关系。本项目将为获取高性能超级电容器电极材料提供一种新的结构设计思路，更有利于加深对超级电容器电极材料结构与性能之间关系的认识，并为设计高性能超级电容器电极材料提供理论依据和实验佐证。

超级电容器是一种近年来备受关注的新型电化学储能装置。电极材料是决定其能否高效地存储和释放电能的核心因素，而材料结构则对电极材料的电容性能有着至关重要的影响。因此，超级电容器电极材料结构与其性能之间的关系成为该领域亟待解决的关键科学问题之一。本项目围绕该问题，设计制备了多种结构可控的电极材料，通过研究结构因素对其电容性能的影响，进一步揭示了超级电容器电极材料结构与性能之间的关系，进而可为设计高性能超级电容器电极材料提供依据。首先，制备了还原氧化石墨烯/二氧化锰杂化空心微球结构，并建立了可控制备此类结构的方法体系。通过对比研究还原氧化石墨烯空心球、二氧化锰空心球、还原氧化石墨烯/二氧化锰杂化空心微球以及无序结构的还原氧化石墨烯/二氧化锰复合物的电容性能可知，多孔、中空结构有利于缩短电子和电解液离子的输送路径，促进电解液的渗透和扩散，进而降低电极内阻，有效提高活性材料利用率，改善该复合材料的容量表现及循环性能。其次，以结构可调的生物质衍生炭（烟丝衍生炭和麦麸质衍生炭）为研究对象，发现其优异的电容性能主要归功于高比表面积、适宜的孔结构和丰富的杂原子基团；在水系电解液中孔性质与杂原子掺杂协同影响其电化学性能，并且无论在水系还是离子液体电解液中，离子筛分效应确实存在，使得其双电层电容与比表面积不成线性关系。最后，制备了具有三维分级核壳结构的镍钴氧化物/镍钴磷化物/碳杂化物和超薄四硫化三钴纳米片阵列结构。研究结果表明，以一维结构为核，二维结构为壳构成的三维分级的核壳结构，由于其集合了一维结构高效传输电子和离子，以及二维结构高比表面积和力学稳定等优点，因此核壳结构杂化物表现出优异的电容性能；由二维超薄纳米片构成的三维多孔结构则能改善高负载量条件下电极材料的电容性能。此外，本项目还将研究电极材料结构与其电容性能之间关系的思路拓展至研究材料结构对其电催化性能的影响。