基于二维层状过渡金属碳化物纳米结构的柔性储能器件关键问题研究

The high-performance flexible electrochemical energy storages devices are of critical importance to solve the problem of short run-time of wearable electronics. To be specific, the safety issue, the charging time and the energy density are the key challenges for the wearable energy storage devices. Based on this understanding, this project proposes a safe, fast charged and high energy density device based on the two dimensional layered transition metal carbides. The high conductivity and the layered nanostructures of these materials would benefit more charges storage in the device. To address the challenge of easy explosion of the organic electrolyte, this project demonstrates a highly concentrated lithium ion based water electrolyte. Meanwhile, the electrolyte would enlarge the electrochemical window of the cell and lead to high energy density. By controlling the nanostructures of the layered materials, the interaction between the microscopic structure and the ions from the electrolyte can be tuned. The results of this project is expected to shed light on both the energy storage technique of two dimensional materials and the development of wearable electrochemical energy storages devices.

高性能柔性电化学储能器件对于解决可穿戴式电子设备的续航问题具有重要意义。本项目针对储能器件安全性、充电速度和能量密度这些关键问题，提出了基于二维层状过渡金属碳化物纳米结构电极构建安全型、快速充电、高能量密度的可穿戴柔性储能器件。本项目创新性地利用二维过渡金属碳化物的高导电性与层状结构特性来提高电极材料的电荷存储容量。并且通过引入高浓度水性锂离子溶液作为电解质，在拓宽电势窗口、提高器件能量密度的同时消除了有机电解质溶液容易着火爆炸的隐患。在设计制备二维层状材料时，通过调控层状材料的微观纳米结构与电解质离子之间的相互作用来实现项目的目标。本项目的研究对于二维层状材料储能技术以及新型可穿戴电化学储能器件的发展具有重要意义。

高性能柔性电化学储能器件对于解决可穿戴式电子设备的续航问题具有重要意义和应用价值。二维层状材料的高导电性与层状结构特性有助于提高电极材料的电荷存储容量。.我们层层堆叠电化学沉积多孔聚苯胺（PANI）和二维金属有机框架（MOF）在激光诱导石墨烯（LIG）基底上。具有高度多孔结构的MOF和具有优异导电性的PANI链协同作用，面积比电容可达719.2 mF·cm−2，是裸LIG制备器件的近370倍。制备的柔性微型超级电容器经过6000次充放电测试循环后保持了87.6%以上的电容，证明了其具有良好的循环稳定性。.我们发现造纸技术可以制备聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纸张，LIG技术再将其石墨烯化。制备的材料表现出良好的电荷储存能力，这得益于高的石墨化程度以及存在大量的纳米尺度微孔。所得柔性微型超级电容器的面积比电容可达46.3 mF·cm-2，达到传统聚酰亚胺(PI)基柔性微型超级电容器的12倍。该工艺重现性良好，且器件在3000次弯曲后仍能保持85%电容。.我们创造性地结合化学发泡策略和基于商业芳纶纸的激光诱导石墨烯技术。通过简单的浸渍改性和激光诱导过程，组装后的纸基MSC电容性能比未发泡的对照组高约350倍，是常用的PI基装置的7倍。器件比面积电容和面积能量密度达到23.8 mF·cm−2和2.64 μWh·cm−2。反其道而行之引入氧化剂可以促进激光侵蚀。获得的具有多孔形态的激光诱导增厚石墨烯（LITG）的厚度可达经典材料的约10倍。引入的氧化剂不会降低碳的产量，反而能使碳的产量翻倍。组装的微型超级电容器的面积比电容高达65.2 mF·cm−2，是对照组的近1000倍。.本项目的研究对于二维层状材料储能技术以及新型可穿戴电化学储能器件的发展具有重要的学术价值和应用潜力。