新型轻质柔性石墨烯片-碳纳米管基复合膜电极材料的设计、可控制备及其超电容特性研究

Based on the energy-storage mechanism and the existing key issues of light flexible composite film electrodes in supercapacitors, we proposed a layer-by-layer electrophoretic deposition strategy to construct "sandwich-like" graphene nanosheets (GNs)-carbon nanotubes (CNTs) flexible films with rich hierarchical pores, good electronic conductivity and large specific surface area by using noncovalent-functionalized two-dimensional GNs and one-dimensional CNTs with high dispersity. Then, cobalt hydroxide with low cost and high theoretical specific capacitance was controllably electrodeposited upon the surface of the GNs-CNTs films to fabricate light flexible GNs-CNTs based composite film electrodes. Systemic investigations were peroformed into the relationship between electrochemical charge/mass transfer, and the unique structures including electronic conductivities, specific surface areas and three-dimensional hierarchical pores, and electrolytes with some reversible redox couples. The energy-storage mechanism of the composite film electrodes was further clarified to expect high power density with large mass (volume) capacitance and high electrochemically stability of the flexible composite film electrodes via the design and regulation of the two aspects:the microstructures of the composite film electrode and the electrolyte components. Finally, valuable theoretical and technical supports are provided for the research and fabrication of the light flexible composite film electrodes with excellent electrochemical performance.

基于轻质柔性复合膜电极材料的储能机理及其在超级电容器应用中所存在的关键问题，本项目拟采用电泳沉积逐层组装技术将非共价修饰高分散性的二维石墨烯片和一维碳纳米管交叉层叠构筑具有丰富三维孔道结构、高电子导电性和高比表面积的"三明治"结构石墨烯片-碳纳米管柔性膜材料，进而通过电沉积在其表面均匀"寄生"廉价且高理论比容量的氢氧化钴，获得具有良好柔韧性的石墨烯片-碳纳米管基轻质复合膜电极材料。系统研究该轻质柔性复合膜电极的电子导电性、比表面积、三维多级孔道等结构及电解液中高可逆氧化还原电偶与其电化学传荷和传质之间的关系，阐明其储能机理，期望通过对复合膜电极微观结构和电解液组分两方面的设计与调控来实现在保持其高功率的同时，兼顾高质量/体积比容量和高电化学稳定性，为高性能轻质柔性复合膜超级电容器电极材料的研究和制备提供理论和技术支持。

在节能环保和低碳经济日益成为主题的今天，由于其兼有传统电容器和电池的双重功能，超级电容器（即电化学电容器）成为了当前全球储能研究领域中的热点之一。近年来，随着轻质柔性的便携式或可穿电子产品及可折叠超薄太阳能光伏产品和显示器等可卷曲电子器件的快速发展，轻质柔性能量储存器件引起了人们极大的关注。对具有高储荷特性的轻质柔性电极材料的设计、优化和可控制备成为了超级电容器研究领域里一个新的重点发展方向。基于轻质柔性复合膜电极材料的储能机理及其在超级电容器应用中所存在的关键问题，本项目采用了逐层组装技术将非共价修饰高分散性的二维（2D）石墨烯片（GNs）和一维（1D）碳纳米管（CNTs）交叉层叠构筑了具有丰富三维（3D）孔道结构、高电子导电性和高比表面积的“三明治”结构石墨烯片-碳纳米管（GNs-CNTs）柔性膜材料，进而通过电沉积等策略在其表面均匀“寄生”廉价且高理论比容量的赝电容特性的金属（氢）氧化物，获得具有良好柔韧性的石墨烯片-碳纳米管基轻质复合膜电极材料。通过系统研究，揭示了沉淀剂和氧化石墨烯表面官能团对一步原位形成金属（氢）氧化物/GNS-CNTs复合膜电极内在协同作用机制；阐明了轻质柔性复合膜电极的电子导电性、比表面积和3D多级孔道等微结构对其电化学储荷性能提高的影响规律；阐释了电解质pH和电极组分（异离子掺杂）对复合电极比能量密度提升的作用机制；获知了高可逆氧化还原电偶对复合膜电极电化学传荷和传质过程的影响规律；揭示了组分/结构耦合效应对改善电极循环稳定性及倍率特性，以及兼顾高质量/体积比容量和高电化学稳定性内在机制；将中空/多孔微纳复合理念移植于高性能超级电容器电极材料的优化设计中，揭示了中空/多孔微纳特征结构形成机理、以及高效宏量和低成本可控合成方法和规律，为拓展其产业化和实际应用开辟了新途径。以上研究极大丰富了对轻质柔性复合膜电极组分/结构、充放电反应表界面和纳米效应等的理解，有助于在原子层次或纳尺度上阐明储荷机制，为解决电极循环稳定性与倍率性能较差等难题提供了有效策略，促进了相关学科的交叉融合，为高性能轻质柔性复合膜超级电容器电极材料的研究和制备提供理论和技术支持。