多尺度纤维素/导电聚合物/过渡金属氧化物三元柔性复合材料的制备及电化学储能性能研究

Electrode materials are the key part of the flexible electrochemical energy storage systems. The major issue to address in this field is how to design and prepare flexible electrode materials with outstanding mechanical and electrochemical energy storage properties. In order to improve the properties of cellulose-based flexible electrode materials, conducting polymers (ICPs) are coated on the surface of multi-scale cellulose which is used as flexible substrate to enhance the electrical conductivity of the substrate via in-situ chemical oxidative polymerization or graft polymerization. Then transition metal oxides (TMOs) are loaded on the surface of the ICPs coated cellulose via electrochemical impregnation method, forming flexible multi-scale cellulose/ICPs/TMOs ternary composites that are applied as electrode materials. In this strategy, the multi-scale cellulose used as flexible substrate is helpful for improving the mechanical properties of the electrode materials, and the obtained flexible ternary electrode materials will have outstanding electrochemical energy storage properties based on synergy effect. The project is expected to realize the mechanism of energy storage and morphology formation of the flexible ternary electrode materials, and to reveal the relationship between structure and properties of the composites. It will provide new idea and theoretical foundation of design and preparation of the new flexible electrode materials through the project.

电极材料作为柔性电化学储能系统的核心部分，如何设计和制备兼具优异力学性能和电化学储能性能的柔性电极材料是该领域的热点和难点。本项目针对纤维素基柔性电极材料存在力学性能和电化学储能性能不足的问题，提出以多尺度的纤维素作为柔性基体，利用原位氧化聚合和接枝聚合两种途径在纤维素表面包覆导电聚合物（ICPs）以提高基体的导电性能，并进一步采用电化学浸渍法在ICPs包覆的纤维素基体的表面构筑过渡金属氧化物（TMOs），制备多尺度纤维素/导电聚合物/过渡金属氧化物三元柔性复合电极材料。多尺度纤维素柔性基体的构筑，可实现柔性电极力学性能的提升，同时三元柔性复合电极材料集成纤维素、ICPs和TMOs在电化学储能方面的优势，并通过协同作用获得更优异的电化学性能。提出材料电化学性能提高的机制和形貌构筑的机理，揭示所得材料结构和性能的关系，为设计和制备新型柔性电极材料提供新的思路和理论依据。

本项目针对纤维素基柔性电极材料存在力学性能和电化学储能性能不足的问题，提出以多尺度的纤维素作为柔性基体，利用原位氧化聚合和接枝聚合两种途径在纤维素表面包覆导电聚合物以提高基体的导电性能，并进一步采用电化学浸渍在导电聚合物包覆的纤维素基体的表面构筑过渡金属氧化物，制备多尺度纤维素/导电聚合物/过渡金属氧化物三元柔性复合电极材料。研究中制备了一系列柔性纤维素/导电聚合物柔性复合材料以及柔性纤维素/过渡金属氧化物/导电聚合物柔性复合材料。以微米/纳米纤维素为柔性基底，通过原位聚合获得单宁酸掺杂聚吡咯/纤维素超级电容器电极材料。结果表明：微米/纳米纤维素质量比为2:8时，柔性基体力学性能最佳。单宁酸掺杂的聚吡咯包覆在纤维素表面，形成的导电网络有利于进一步提高电极材料的电化学性能，随着纤维素添加量的增加，电极材料的比电容出现先增大后减小的趋势。所制备的电极材料的最高比电容达340.7 F/g。将其组装成超级电容器后，其最高比电容、能量密度和功率密度分别为90.7 F/g、8.1 Wh/kg和705.8 W/kg，表现出良好的柔性和充放电循环稳定性。在多尺度纤维素基底表面化学沉积二氧化锰，再将吡咯单体原位聚合得到三元复合电极材料。结果表明：二氧化锰沉积时间为20 min时得到电极的电化学性能最佳。将该电极组装成电容器,其比电容为81.6 F/g，最大能量密度和功率密度分别为7.3 W h/kg和475.7 W/kg；经过折弯测试,表现出良好的柔性。三元柔性复合电极材料的构筑，可实现柔性电极力学性能的提升，并通过协同作用获得更优异的电化学性能，为设计和制备新型柔性电极材料提供新的思路和理论依据。