基于金属氮化物/碳复合纳米纤维构建高性能柔性非对称超级电容器

High-performance flexible metal nitride/carbon nanofibers will be developed with metal nitride nanoparticles encapsulated in carbon nanofibers by using an electrospinning method in this work. These nanofibers can improve the cycling ability of the metal nitrides and the specific capacitances of the carbon nanofibers because of coupling effect, which can be applied in flexible supercapacitor area. This research will be carried out as follows: (1) the development of high-performance flexible metal nitride/carbon nanofibers by controlling electrospinning process; (2) focus on the effects of the composition and structural on their electrical and mechanical properties by using advanced in-situ physical properties test technology, to obtain a variety of high-performance flexible metal nitride/carbon nanofibers; (3) study on composite mechanism of flexible nanofibers with transition metal oxides and conducting polymers, and in-situ research structure-activity relationship between microstructure morphology and electrochemical performance, to reveal the capacitive mechanism; (4) construction of aqueous and all-solid-state flexible asymmetric supercapacitor, investigating the inner relationship of electrode material, electrolyte and the device performance, which can provide important theoretical and experimental evidence for constructing flexible asymmetric supercapacitor with high energy density and power density.

针对金属氮化物循环稳定性差和碳纳米纤维比电容低等关键问题，本课题拟采用静电纺丝技术将金属氮化物纳米粒子嵌入到柔性碳纳米纤维中，利用两者这间的耦合效应获得高性能柔性金属氮化物/碳纳米纤维，并开展其在柔性超级电容器中的应用。主要研究内容包括：（1）优化静电纺丝工艺，制备柔韧性高和电化学性能优异的柔性金属氮化物/碳纳米纤维；（2）基于先进的纳米材料单体物理性能测试技术，研究其组成成分、结构变化对其电学和力学性能影响，遴选出数种性能优异的柔性金属氮化物/碳纳米纤维；（3）研究柔性金属氮化物/碳纳米纤维与过渡金属氧化物和导电聚合物的复合机制，并原位探讨其微观结构形貌与电容特性的构效关系，揭示其电化学储能机制；（4）构建水性和全固态柔性非对称超级电容器，探索电极材料、电解液与器件性能的内在关系，为构建高能量和功率密度的储能器件提供重要的理论和实验依据。

为了满足未来电动汽车、大功率电子设备的快速发展，研制高能量密度及高功率密度的新型能源储存与转换设备显得尤为迫切和重要。非对称超级电容器是近年来被广泛关注的一种新型、高效、实用的能量储存装置，具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、使用温度范围宽和安全性高等优点。设计和制备具有高性能电极材料是制备高性能非对称超级电容器的关键。本项目采用静电纺丝技术制备了金属氮化物等纳米纤维，研究了静电纺丝工艺对纤维微观结构和形貌的影响规律。同时基于结构调控技术制备了多种高性能过渡金属氧化物电极材料，并构建非对称超级电容器器件，探索正负电极材料配比、电解液与器件性能的内在关系，为构建高能量和功率密度的储能器件提供重要的理论和实验依据。主要成果包括：. 1. 基于静电纺丝技术构建了空心MnO2纳米纤维和TiN@MnO2复合纳米纤维，重点考察纺丝工艺和参数对纳米纤维微观结构和形貌的影响，实现高性能纳米纤维材料的可控制备。电化学测试结果证明所制备的电极材料具有优异的电化学性能。. 2. 通过多种材料合成技术设计并构建了多种电化学性能优异的过渡金属氧化物基复合纳米材料，如CuCo2O4@NiO，Co3O4@NiCo2O4，NiCo2O4@NiO等，利用多种材料表征手段确定复合纳米材料的微观结构和形貌、组成成分、复合方式等，并建立了结构与性能之间的构效关系。. 3. 基于形貌和结构调控策略，以SiO2纳米球为模板构建了空心NiCo2S4/Co9S8，空心NiCo2O4等电极材料。探讨了空心结构的调控规律及其与电化学性能之间的内在关系。. 4. 构建了一系列高性能非对称超级电容器，如CuCo2O4@NiO//AC和NiCo2S4/Co9S8//AC等，研究了正负极材料质量配比、工作电压窗口等组装工艺对非对称超级电容器器件的比电容、倍率性能、循环稳定性、能量密度和功率密度的影响。. 项目共计发表SCI论文20篇，包括Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Colloid and Interface Science等，其中一篇论文入选“ESI高被引论文”；申请中国发明专利4项，授权1项；项目执行期间获得了中国博士后科学基金第61批面上一等资助和中国博士后科学基金第11批特别资助。.