基于三维纳米多孔石墨烯的高能量密度柔性赝电容超级电容器的研究

Accompanied with the miniaturization of consumer electronics and the demand of flexible/bendable electronics, it is urgent to develop the corresponding flexible supercapacitor with large specific capacitance, high energy density and rapid rate capability, which has become a hotspot in the field of energy storage. In the project, we will develop three dimensional (3D) nanoporous graphene deriving from nanoporous metal as the support of active materials, adjust the pore size, porosity, conductivity and flexibility of nanoporous graphene, optimize the hydrothermal growth or electrodeposition of active materials (MnO2, NiO, etc) in the 3D channels, and construct 3D bicontinuous nanoporous graphene based hybrids for novel pseudo-capacitive electrode materials without binding agent. The project will utilized the excellent conductivity and flexibility of nanoporous graphene to improve the capacitive performance and mechanical behavior of electrode materials. In addition, the project will further study the electrochemical properties of 3D nanoporous graphene based composites in the electrolyte of ionic liquid. The influences of microstructure of electrode materials and types of ionic liquids on increase of specific capacitance and working potential window will be deeply explored. Meanwhile, the capacitance mechanism in ionic liquid will be analyzed to supply the theoretic guide to the design and application of future supercapacitor.

随着消费电子产品小型化及可穿戴、可折叠柔性电子产品概念的提出，开发具备大比电容、高能量密度、快速充放电的柔性超级电容器，成为能量存储领域中的一个研究热点。本项目拟使用纳米多孔金属衍生的三维纳米多孔石墨烯作为载体，调节其孔径、孔隙率、电导率和柔韧性，优化二氧化锰和氧化镍等活性物质在三维多孔腔道里的水热生长或电化学沉积，构建以三维纳米多孔石墨烯为基础、不使用粘合剂的新型赝电容电极材料。本项目将利用三维纳米多孔石墨烯优越的导电性和良好的柔韧性分别提高电极材料的电容性能和机械性能。此外，本项目将进一步研究三维纳米多孔石墨烯基复合材料电极在离子液体电解液的电化学现象，系统归纳电极材料结构和离子液体种类对提高比电容、工作电势窗口等因素的影响，达到实现高能量密度柔性赝电容超级电容器的目的。同时，拟对离子液体中电极材料产生电容性的机理进行分析，为今后超级电容器的设计和应用提供理论指导。

伴随着可持续经济和社会发展的需要，新能源越来越成为人们关注的焦点。各种能量存储器件被开发出来应用于便携设备、电动汽车、风电存储等各个领域。与锂离子电池等其他储能设备相比，超级电容器是一种具有快速充放电能力的高功率密度能量存储器件。其中赝电容超级电容器由于使用过渡金属化合物或导电聚合物作为电极材料，而这类活性物质的理论比电容要比双电层超级电容器中的碳材料大几倍甚至十几倍，因此赝电容超级电容器是未来的发展趋势。近来，由于消费类电子的快速发展，提出了可穿戴产品的概念，为了实现高性能的可穿戴柔性超级电容器，急需一种集优良导电性、高孔隙率和优异机械韧性共存的柔性电极。这种新型存储器件不仅需要具备充放电速率快、能量密度高和循环稳定性好的特点，还要能够达到轻薄、柔性、安全的标准。本研究采用了不同孔径的多孔镍作催化剂和模板，通过化学气相沉积法制备了高电导率、高比表面、高柔韧性的三维连续多孔石墨烯自支撑载体，提升了三维连续多孔石墨烯的体积密度，并对多孔石墨烯进行了表面处理和氮掺杂，增加了石墨烯载体的相容性。采用多种方法负载过渡金属氧化物、硫化物和磷化物等活性物质，优化了活性物质在多孔石墨烯韧带中生长条件，构建了多种活性物质与多孔石墨烯复合材料。利用三维多孔石墨烯的高导电性和自支撑结构，提高了电极材料的电荷输送能力和循环稳定性。通过活性材料微观结构和形貌的调控，增大了比表面积以及和电解液的接触面积，从而提高了其导电性，另外各种纳米结构如空心球、纳米片、纳米线等，赋予了电极材料较多的电化学活性位点。研究了三维多孔石墨烯复合材料的微观结构和电极性能的相互作用机制，显著地提高了电极材料的比电容、能量密度、快速充放电速率和循环稳定性。同时，利用高柔韧性的三维多孔石墨烯载体阻止了各种形变引起的电极材料电容性能降级，对研制高性能柔性超级电容器具有十分重要的意义。