高比电容中空结构过渡金属硫化物电荷存储机理研究

Investigation of high performance energy storage system with controlled preparation, formation mechanism, structure optimization and charge storage mechanism of high specific capacitance transition metal sulfide hollow structures as electrode materials for electrochemical supercapacitors is carried out. At first, the transition metal sulfide hollow single-shell structure is prepared by the traditional hard template method and sacrifice template method based on kirkendall effect, then summarizing the main control facts in the formation of single shell structure. Then TEM, SEM, XPS and N2 adsorption/desorption and some other microscopic structure analysis techniques and calculation simulation based on molecular dynamics are combined to study the formation mechanism of hollow structure. The surface modification or doped was carried out on the high performance transition metal sulfides to optimize its capacitor performance. The high specific capacitance energy storage mechanism is described according to the cyclic electrodevoltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurement of electrode kinetics parameters and the analysis of electrode/solution interface kinetic processs. Finally, optimizing the preparation of hollow structure and experimentalizing to verify the theory. .Completing this project timely, our investigation will provide technical and theoretical support for the further development of high performance reversible energy storage device and high specific power energy storage system. Thus, it has important academic value and potential appplication.

本项目拟开展过渡金属硫化物微观结构、中空壳层可控制备、形成机制、结构优化以及高比电容电荷存储机理研究。首先采用计算模拟方法获得可能具有优异电化学性能的材料体系，同时采用液相沉积和水热法筛选出具有优异性能的材料体系。由此进一步，结合传统硬模板法、牺牲模板法制备出中空结构，并归纳总结中空结构形成的主导因素。然后采用TEM、SEM及XPS等微观结构分析技术和材料计算与设计仿真相结合，研究中空结构的形成机制。对高性能过渡金属硫化物进行表面改性或掺杂以优化其赝电容性能。依据循环伏安及电化学阻抗谱测定电极材料的电极反应动力学参数，分析电极/溶液界面动力学过程，由此揭示描述硫化物系列材料高比电容电荷存储机理。最后完成对中空结构可控制备工艺优化及实验验证。可望如期完成该项目研究，为进一步发展高性能的可逆储能器件与高比比功率储能系统提供技术和理论支撑，因而具有重要的学术价值和应用潜力。

本项目主要围绕过渡金属硫化物微观结构、中空壳层可控制备、形成机制、结构优化以及高比电容电荷存储机理研究等问题，进行了系统的理论基础研究和探索。利用第一性原理理论计算方法揭示了过渡金属化合物本征赝电容特性与其电子结构的关系，提出了利用费米面附近过渡金属d电子态密度特性与电解液窗口匹配作为材料本征赝电容反应特性的描述符，并阐释了电解质离子对本征赝电容特性的影响，建立了赝电容的一般性理论计算框架。对过渡金属硫族化合物的电化学储能机理、电化学反应历程、赝电容特性等方面进行分析、解释、预测，为超级电容器电极材料的理论计算奠定了基础。采用分子动力学模拟的方法对多孔超级电容器电极材料中动态电解质离子扩散、动态电极运动模型及动态储能机理进行了深入系统地模拟和分析，对设计高功率密度电极材料提供了理论支撑。同时，采用溶液共沉淀及水热等合成手段，提出了一系列可控制备具有高稳定结构、高比表面积、高赝电容特性的过渡金属硫族化合物中空结构的合成方法，为深入的开发高性能贮能器件与系统应用奠定坚实的技术基础，为大幅度提升电化学超级电容器综合性能开拓方向。