高能钽混合电容器的研究

To make supercapacitor more commercially viable and used more extensively, this aim of this proposal is to investigate the structure effects of graphene upon its electrochemical properties of graphene-based ultracapacitors, where the competitive impacts resulting from the edge content, specific surface area, edge/basal defects, oxygen-containing groups and metal oxides/surfactant impurities are taken into consideration, demonstrating that not one element, but all would be responsible for the final electrochemical behaviors of graphene-based ultracapacitor. Also by the etching of graphene to carbon quantum dot, followey by the decoration of RuO2, this hybrid might exhibit high specific capacitances, ultrahigh rate capability. The formation of the network structure, which facilitates the fast charge transport and ionic motion during the charge/discharge process and greatly improves the utilization of RuO2, leading to rapid redox reactions. Finally, a tantalum hybrid capacitor will be resulted with a combination of the anode of tantalum and the composites of carbon materials. We wish to build upon this extend initial proof-of-concept supercapacitor for providing higher voltage and better energy density.

本项目针对石墨烯界面结构与其电化学性能的关系进行基础研究，采用阴极剥离法，以石墨棒为阴极电极获得表面结构完好的石墨烯。分别研究活化和功能化后石墨烯比表面、边缘结构（边缘缺陷，边缘/平面含量），表面结构（三维孔洞，表面缺陷，表面褶皱），表面功能团（含氧/氟/氮功能团），残留杂质（金属，非金属）等因素以及片层排布形式与石墨烯电化学行为的关系，解析上述因素对石墨烯电容特性的竞争及协同影响效果，并确定提高和限制石墨烯电化学性能的关键因素。在上述基础上，采用电化学方法以及强化蚀刻条件切割石墨烯或功能化石墨烯获得石墨烯量子点，并进一步与水合氧化钌构建复合阴极材料。同时通过提高钽阳极的稳定性和可靠性，匹配良好浸润性的电解质溶液，构建工作电压高、储能密度大的混合钽电容器。

本课题主要以二元金属氧 (硫)化物为研究对象，制备出不同形貌的NiCo2O4和NiCo2S4电极材料，进一步将其构造成复合材料，对这些所获得的材料进行系统的物化性能表征，将其组装成不对称超级电容器，考察了其电化学性能。项目主要成果有：1、采用两种不同的沉淀剂制备了尖晶石NiCo2O4纳米颗粒，探讨了NiCo2O4的形成机理及沉淀剂对NiCo2O4电化学性能的影响。2、采用简易的、低成本的和可规模化生产的室温固相反应路径和低温烧结处理制备得到高的比表面积、较大的孔尺寸和孔体积的NiCo2O4纳米棒，获得了高电化学活性。3、采用简单的溶剂热法合成了3D网络状纳米结构NiCo2O4材料，该材料拥有高的比表面积和丰富的孔隙，得到突出的倍率性能。4、通过控制六次甲基四胺的含量采用软模板水热合成法制备了三种不同形貌的NiCo2O4中空微球，探究了其形成机理及形貌对电化学性能的影响。5、采用可规模化生产的和低成本的软模板法回流合成路径制备了超高比表面积的介孔NiCo2O4中空亚微球，对其形成机理进行了探讨，该材料表现出优异的电化学性能。6、采用一步原位回流合成路径首次制备得到超高比表面积的多孔NiCo2O4亚微球/CQDs复合材料，该复合材料表现出超高的倍率性能和优异的长期循环稳定性。将其进一步组装成CQDs/NiCo2O4//AC不对称超级电容器，获得了高的能量密度和功率密度。7、采用溶剂热法合成了介孔NiCo2S4纳米颗粒，该材料表现出超高的比容量和优异的倍率性能。8、利用CS2液体作为硫源采用一步水热法制备得到高纯度的NiCo2S4纳米片，该材料具有优异的倍率性能。9、采用软模板法水热合成路径得到独特的超高倍率性能的针状纳米棒组装的NiCo2S4中空微/纳结构，以廉价的且经酸处理过的AB为碳源，一步原位合成AB/NiCo2S4复合材料，对其形成机理也进行了探讨。进一步将其组装成AB/NiCo2S4//AC不对称超级电容器，表现出合理的能量密度和超高的功率密度，该研究为高功率型超级电容器的构建提供了有益的借鉴。本课题相关研究成果已发表SCI论文16篇，其中ESI高被引论文3篇，申请中国发明专利3项。