Nbn+1CnTx基钠离子混合电容器电极的设计及储能特性研究

Sodium hybrid supercapacitor is an energy storage system constructed with a battery-type electrode and a capacitive electrode. They have been expected to be new generation of energy storage devices with high performance, low cost, safety, and environmental friendliness which have potential applications in future electric vehicles, smart electric grids, and electronic devices..In this project Nbn＋1CnTx (MXene), a transition metal carbide with 2D structure is to be synthesized using acid corrosion. The surface functional groups and the interlayer spacings could be controlled by adjusting the preparation precedures and post-treatments. Nbn＋1CnTx/Ppy and Nbn＋1CnTx/carbon quantum dots composite electrode materals would be fabricate by self-assembly and in-situ carbonization..Binder-free and template-free flexible free-standing electrodes are prepared for Sodium hybrid supercapacitor. The structure and electrochemical properties, the relationship between its structure properties and electrocapacitive performances, the effects of the surface functional groups on storing energy as well as the interlayer insertion/removal process of sodium ions are going to be studied by both theory method and experimemts. The energy storage mechanism of the material will be explored. Sodium hybrid supercapacitor with high energy density, high power density and long cycle life will be designed and assembled.This project will expand the application of Nbn＋1CnTx and other MXene materials in the new generation of green energy storage devices.

钠离子混合电容器将电容型电极和电池型电极组合于一个器件，有望成为性能高、成本低、安全、环境友好的新一代储能器件，用于未来的电力汽车、智能电网和电子设备等。本项目拟采用酸蚀的方法可控合成二维层状类石墨烯过渡金属铌碳化合物Nbn＋1CnTx，通过合成方法的优化和后期处理调控其表面官能团的成分和比例以及层间距；利用自组装和原位碳化的方法制备Nbn＋1CnTx/聚吡咯、Nbn＋1CnTx/碳量子点复合电极材料，获得无粘合剂无模板的柔性自支撑Nbn+1CnTx基钠离子混合电容器电极；研究电极的微观结构、电化学性质、构效关系，利用理论与实验相结合的方法探索表面官能团在储能中的作用、钠离子在层状结构中的嵌入过程，研究电极材料储能机制；设计、组装高能量密度、高功率密度、长循环寿命的钠离子混合电容器。为发展Nbn＋1CnTx基新一代绿色储能器件并推广到其它类石墨烯材料奠定基础。

Nbn+1CnTx是一种新型的二维层状过渡金属碳化物（MXene），有潜力成为绿色储能器件的电极材料。本项目研究了新型MXene材料Nbn+1CnTx的可控制备，探索了提高其电化学性能的策略，分析了其储能机理。实际完成情况如下：. 通过密度泛函理论计算，研究了单层和多层MXenes的储锂和储钠的理论容量，在原子分子层面上为材料制备及其电化学性能的提高给出了理论指导；利用酸蚀法成功实现了多层及少层结构的Nb2CTx的可控制备，同时创新了Nb2CTx的制备方法，首次采用HCl和LiF代替HF刻蚀Nb2AlC的方案，获得了高结晶性的Nb2CTx，并且实现了一步剥离高结晶性的少层Nb2CTx纳米片；通过合成方法的优化和后期处理实现了Nb2CTx表面官能团以及层间距的调控，为后续优化其电化学性能奠定了基础；在此基础上研究了Nb2CTx及其复合结构作为超级电容器电极和离子电池电极的储锂和储钠特性，探讨了构效关系及储能机理，并将以上方法推广到其它的MXene材料。.代表性关键数据：经优化，Nb2CTx容量提高约3倍，达到480 mA h g-1，接近理论容量。上述结果为开发新型高性能电极材料奠定了实验基础。. 截止目前，相关成果已发表标注SCI论文23篇，其中影响因子大于 3的论文18篇，二区以上的SCI论文17篇，另外还有三篇返修中以及两篇审稿中。申请发明专利3项。在人才培养方面，项目执行期间培养已毕业硕士研究生6名，在读硕士生10名，在读博士生2名，预期目标都已完成。