三维自支撑纳米多孔氮化钒基电极的开发及其在超级电容器中的应用

Supercapacitors have attracted considerable attention as energy storage devices due to their higher power density, fast charge/discharge rates, and excellent cycling stability and so on. Low energy density, however, is the shortcoming of supercapacitors, which limits their application in various electronic devices. To improve the low energy density of electrodes, the project originally proposes high conductivity and capacity of VN to build integrated three-dimensional nanoporous conductive skeleton, and preparation of composite heterostructure electrode. Through the optimal selection of electrode materials, the rational design of electrode structure, and the non-active components in the electrode were discarded, and the problem of low energy density was solved. Through electrochemical properties tests of electrode, the project studies the effect of composite，s crystal structure, interfacial microstructure, morphology, size, chemical composition and specific surface area on the performance, probes the influence of interface and defect on the generation, transfer of electron and ion, analyzes the composite heterojunction playing in the enhancing the electrochemical activity, reveals the electrochemical storage mechanism of heterogeneous structure of vanadium nitride complex. The project provides an innovative approach for the design of high energy density electrode, and may have important implications theoretically and practically for further understanding energy storage mechanism of vanadium nitride-based composite electrode, and achieving the application of supercapacitor in new energy field.

超级电容器具有功率密度高、快速充放电速率、循环寿命长等优点，成为了能量存储领域的研究热点。然而，超级电容器的低能量密度限制了其大规模的应用。本研究拟选用兼具高电导率和高比容量的氮化物构建一体化三维纳米多孔的导电骨架，以及制备复合物异质结构电极。通过对电极材料的优化选择以及结构的合理设计，以及抛弃了电极内无活性的组分，全面解决了电极能量密度低的问题。本项目通过对超级电容器电化学性能评价，研究复合物的晶体结构、界面结构、尺寸、形貌、化学成分、孔径分布和比表面积等对性能的影响，探讨界面和缺陷对电子和离子传输的作用，分析氮化钒复合物异质结构对其电化学性能的作用规律，揭示氮化钒复合物的电化学存储机理。本项目为高能量密度电极的设计提供了新的思路和策略，对于进一步理解氮化钒基复合物电极的储能机制，实现超级电容器在新能源领域的应用具有重要的理论价值和实际指导意义。

为提升器件能量密度，本项目开发了一系列的多孔电极并构建了全新的电池体系。.本文的主要内容是：.1..构建了一体化多孔氮化钒复合氧化物(VN/V2O5)集流体.由于该集流体内部的V2O5能够快速吸附大量的LiPSs,同时外部VN带有大量的孔道结构并且电导率良好，显著改善了LiPSs的局域和转化能力。因此，由该集流体构建的正极获得了显著高的比容量、良好的倍率性能和良好的稳定性。.2..构建了具有高能量密度的Zn-Br2水系高压电池。.此水系电池最大的面积容量为1.56 mAh cm−2，接近商用锂离子电池的水平。如此优异的性能使它能够成为下一代水系锌离子电池的理想选择。.3..半共格界面的阳离子预插入的铜锰复合氧化物作为双离子水系能量存储设备正极。. 在该储能系统中，正极能够提供部分反应离子，电解液浓度对性能的依赖显著降低，并且该电极能够在低电位下存储氢氧根。此外，基于该正极和自支撑V2O3–VC负极构建了柔性准固态的设备。该器件展现了39.9 uW h cm-2超高能量密度和碳基器件的功率密度，这些综合电化学性能显著高于之前报道的器件。以上结果暗示具有独特存储机的正极能够为高性能水系存储系统开辟了新的路径。.4..一种基于电池型的Ni(OH)2 NTAs阵列正极和赝电容型的V2O5/CNTs负极的钾-基杂化双离子电容器。. 在双离子杂化超级电容器的充电过程，K+插入V2O5负极OH–与Ni(OH)2正极反应；通过放电，K+ 和OH–分别从V2O5负极和Ni(OH)2正极反应释放，如此的存储机制显著不同于传统的金属离子或碱性超级电容器。受益于双离子存储机制和杂化超级电容器的优点，该器件通过10,000次循环展现了81.4% 的容量保持率。器件最大能量密度和功率密度分别为25.4 uWh cm-2和4.66 mW cm-2，表明其具有柔性器件的应用潜力。.