基于席夫碱反应的富碳纳米材料制备及其锂离子电容器性能研究

This project aims to develop the controllable construction of schiff-base network-based carbon-rich nanomaterials, propose universal design strategy towards flexible integrated electrodes, and achieve a high-performance lithium ion capacitor by optimizing the electrode materials and fabrication process. Starting from the "bottom-up" strategy towards schiff-base network-based carbon-rich nanomaterials, this project intends to confirm the regulation mechanism, explore the evolution process of chemical structure from the schiff-base network to the final carbon-rich nanomaterials, in-depth understand the relationship between micro/nano-structure and electrochemical performances, so as to realize the controllable preparation of carbon-rich nanomaterials in different dimensions. On this basis, universal strategy of flexible integrated electrodes construction based on carbon-rich nanomaterials will be developed. With the optimization of surface chemical properties of flexible collectors and the tune of the interface contact mode, the applications in lithium ion capacitor will be in detailed studied. This project will help to reveal and understand the evolution process of chemical structure of porous organic polymer to the final carbon-rich nanomaterials, achieve the controlled preparation of carbon-rich nanomaterials in multi-dimension, and finally obtain controllable design and assembly of lithium ion capacitor device with high performance. It shows important significance and practical value for the application of energy storage and the enhanced understanding of the carbon-rich materials.

本项目旨在实现基于席夫碱网状聚合物的富碳纳米材料可控制备，并提出柔性一体化电极设计的构建策略，可控构建高性能的锂离子电容器。主要研究内容是从基于席夫碱反应的“自下而上”构筑富碳纳米材料的策略出发，明确其调控的机制，探索从席夫碱网状聚合物到最终富碳纳米材料的化学结构演变过程，深入理解微纳结构与电化学性能之间的关系，进而实现化学结构可控的富碳纳米材料在其不同维度的可控制备。在此基础上，发展基于富碳材料的柔性一体化电极策略，优化集流体的表面化学特性，考察其应用于锂离子电容器的性能，并探索富碳材料在柔性储能器件中的可行性。本项目的实施将深化理解和揭示多孔有机聚合物到最终富碳材料的化学结构演变过程，发展富碳材料在其不同维度的可控制备，并实现高性能锂离子电容器的可控设计和组装，对于推广富碳材料在储能领域的应用并提升人们对富碳材料的认识具有十分重要的意义和实际应用价值。

兼具高分子结构特征与碳纳米材料性能特征的富碳纳米材料不仅对材料学研究是一个全新的领域，而且在能源、环境等领域的实际应用中也具有非常重要的学术价值与经济价值。本项目在网络化富碳纳米材料的构建及结构调控、富碳高分子转化为富碳材料的过程机制调控、柔性一体化电极构建普适性策略、锂离子电容器设计组装与性能优化等四个方面获得了一系列的创新性成果。本项目实现了一系列网络化富碳纳米材料的孔结构、元素掺杂、能带结构等物理化学性质的高效调控，进而系统研究了该类材料的结构特征在锂离子电容器、电催化等电化学能源储存与转化应用中的构效关系；提出二次聚合工艺发展了基于富碳纳米材料的柔性一体化电极构建普适性策略，组装设计得到的锂离子超级电容器不仅能量密度可以达到187 Wh kg-1，而且该纤维超级电容器即使弯曲角度达到180°容量基本不变。相关成果共在Advanced Materials等高水平期刊上发表学术论文10篇。本项目的顺利实施不仅推动了“能量密度”与“功率密度”双高储能器件的发展，为开发高性能的轻薄及柔性储能器件提供指导意义，而且通过系统研究网络化富碳纳米材料的结构与功能调控策略以及其在实际应用中的结构-性能关系，可以为开发可用于新能源领域的高性能多功能网络化富碳纳米材料提供实验支持。