二维过渡金属化合物高倍率复合体系构筑及储能特性研究

Nowadays, battery-type transition metal compounds (TMCs) are introduced to hybrid energy storage devices to improve the energy density, however their low electron transfer rate and poor ion transportation, seriously limits their rate performance and damage the power density of hybrid energy storage devices. This research will focus on the design and construction of two-dimensional TMCs (2DTMCs) based double-active-component composite system (2DTMCs-DCS), taking advantage of the extrinsic pseudocapacitance characteristic of battery-type TMCs, and reveal the scientific issues related to charge transfer dynamics of the composite system, Specifically, typical battery-type TMCs will be selected and efficient synthetic approaches about 2DTMCs-DCS will be investigated. The interface charge storage behavior will be studied through adjusting the compositing scale and compositing ways, with systematic characterization of interface structure and electrochemical performance. In addition, the influence mechanism of surface/ interface structure on charge transport, electronic structure etc., will be explored with the investigation of first-principles calculation to study the interfaced confined charge transfer kinetics of composite system, and reveal the mechanism of extrinsic pseudocapacitance from the molecular and atomic scales. Eventually, a high-power hybrid energy storage device based on 2DTMCs-DCS will be designed and constructed. This study has great scientific significance for the development of high rate electrode materials and construction of next generation hybrid energy storage devices with high performance.

将电池型过渡金属化合物引入超级电容器，构筑高能量混合型储能器件是当前的研究热点，但其较低的电子传输及离子扩散速率严重限制了材料的倍率性能，制约器件的功率密度。本项目拟通过有效的结构设计开发利用电池型材料的非本征赝电容特性，研究如何改善过渡金属化合物电荷传输动力学的科学问题。具体将选取典型的电池型材料，设计构筑基于二维过渡金属化合物的双活性组分复合体系，探索简单高效的复合方法；同时调控两相复合尺度、复合方式及导电性能，结合电化学反应中界面微观结构表征及电化学分析，研究复合体系的界面电荷存储行为；结合第一性原理模拟计算复合体系的表/界面结构对电荷输运、电子结构等的影响机制，研究界面限域电荷传输动力学，从分子及原子尺度上揭示电池型材料中赝电容的产生机制。在此基础上构筑基于二维过渡金属化合物的高功率混合型储能器件。本研究将对高倍率电极材料的开发及下一代高性能混合型储能器件的研制具有重要的科学意义。

过渡金属化合物(包括磷化物、硫化物、氧化物等)是储能电池中非常重要的电极材料，它们通常具有高的理论比容量，但由于本征导电性差，导致其电荷传输动力学缓慢，限制了实际应用。本项目通过通过化学设计构筑二维过渡金属化合物分子尺度复合结构，开发了V2O3/Ni2P/C、Ni2P/C、MnO2/NG、 SnO2@SnS2/NG 等多种不同尺度、不同形貌的（包括二维/零维双共价异质结构、二维面/面复合结构、量子点异质结构等）高倍率异质复合结构。同时通过原位透射电镜、第一性原理计算等分析了其储能机理，并精确调控电池材料扩散型容量和电容型容量的贡献比例，实现了过渡金属化合物电荷输运动力学的大幅度提升。这种杂化结构中因存在大量两相界面，从而产生大量空位、空穴，增加与界面电荷相关的电容型储能。第一性原理计算发现，将两种半导体性质的材料复合后可以转变为导体性质，这一结果与我们的实验数据相吻合。进一步提高杂化密度，将杂化结构降低至量子尺度，与普通的微纳米尺度复合对比，这种量子点杂化结构的离子扩散系数提升了近百倍。我们通过大量的研究总结出材料的离子传输动力学与杂化结构密度呈正相关的趋势。基于上述研究，我们原创性地出了“界面非本征赝电容”的储能新机制，并将此机制应用于多种碱金属离子电池的正负极材料，大幅度提高了过渡金属化合物的倍率和比容量，为高倍率混合储能器件的构筑提供了材料基础和理论借鉴。