基于高浓水系电解液的高比能锂离子电容器及其储能机理研究

This proposal design a high-voltage lithium ion capacitor, which comprise of carbon anode, manganese-based lithium intercalation compound cathode and highly concentrated aqueous electrolyte, to improve the energy density of supercapacitor. Electrochemical measurements combined with modern physical/chemical characterization will be utilized to investigate the property of highly concentrated aqueous electrolyte (eg. component and concentration), characteristics of electrode materials (eg. morphology and structure) and electrochemical performance (eg. specific energy, specific power, cycle and high/low temperature behavior). The lithium ion transport property of the electrolyte, the evolution of electrode/electrolyte interface, the electrochemical reaction kinetics and kinetics suitability of anode/cathode electrodes and energy storage mechanism of lithium ion capacitor will be studied. This proposal aims to build and develop electrode reaction process model and electrode process kinetics model. All the endeavors will lay theoretical foundation and provide technical guidance for designing lithium ion capacitor with high energy density, high power density and long cycle life.

针对当前超级电容器能量密度低等关键问题，本项目拟采用高浓有机锂盐水系电解液，分别以锰基嵌锂化合物为正极、多孔碳为负极，构建一种新型高电压锂离子电容器。结合现代物理/化学表征技术与电化学测试方法，研究高浓电解液体系的锂离子传导特性、电极/电解液界面组成与结构的演变规律、锰基嵌锂正极与多孔碳负极的电化学反应动力学、动力学适配性，揭示锂离子电容器的比能量、比功率、循环寿命及高低温性能与高浓电解液的组成、浓度以及电极材料的结构、形貌之间的科学关系，阐明高浓电解液体系锂离子电容器的电化学储能机理及电化学性能衰退机制，建立和发展该体系下锂离子电容器的电极反应过程模型与电极过程动力学模型，为进一步设计高能量密度、高功率密度及长寿命离子电容器奠定理论基础。

目前，商业化超级电容器使用的传统有机电解液存在的可燃性会为其带来安全性问题，此外超级电容器本身的低容量也大大限制了其应用的领域。针对这一系列关键问题，基于近年来蓬勃发展的高浓水系电解液和同时兼具嵌入型电极和电容型电极组成的锂离子电容器。本项目主要对高浓水系电解液的性能进行了详细的研究，并有效地将其应用于高功率电容器中。对于当前已发展的高浓水系电解液进行系统的梳理和分析，针对不同离子、溶剂和添加剂的组成对高浓水系电解液的物理化学性质的影响机制进行了详细的阐述，同时对这些性能在不同高功率电化学储能器件中应用时对器件电化学性能的影响建立联系，有效实现了高浓水系电解液在高功率电容器中的应用。针对高倍率、高电压嵌入型正极材料存在的循环寿命、存储容量等问题，通过复合、包覆和掺杂等手段有效改善了这一系列问题同时设计制备了具有优异性能的复合正极材料。通过对于生物质和人工合成原材料的选择，静电纺丝、水热合成及模板法等制备工艺的优化，结合先进的原位/非原位的表征，建立了高容量碳材料物理性能与电化学性能之间的构效关系。通过人工石墨涂覆、无机物包覆等手段实现电极表面人工界面膜的形成，有效地改善了不同电极在水系电解液中的循环稳定性。基于多种原位表征手段，对电极/电解液界面形成的人工膜的组成、厚度及形成机制进行表征，建立了其与电极的电化学性能之间的构效关系。基于MXene/LDH复合材料、聚酰亚胺、氨基有机聚合物、亚甲基蓝功能化石墨烯、有机茜素、双金属普鲁士蓝类似物及活性炭材料等电极材料，与不同离子的高浓度水系电解液构筑了具有优异电化学性能的锂离子电容器。利用原位/非原位表征和理论模拟探究出多种副反应的存在、电容器中反应过程中温度变化以及电极在电解液中的溶解是影响容量衰减机制的重要因素。项目的完成不仅提出全新的水系离子电容器体系，同时也为进一步设计高安全、高能量密度、高功率密度及长寿命离子电容器奠定了基础。