用于石墨烯基超级电容器的双氧化还原离子液体电解质的设计合成及电性能研究

Compared with batteries and fuel cells, the electrochemical supercapacitor (ES), also known as a supercapacitor, has attracted considerable interest in both academia and industry in recent years because it has some distinct advantages, such as higher power density, fast charging/discharging rate (in seconds), and a long cycle life. But its main disadvantage is low energy density. Ionic liquids (ILs) are expected to replace traditional electrolytes in ESs for their advantages of wide electrochemical window, good chemical stability, and adjustable performance. A biredox IL with solid-like redox density in the liquid state could break the barrier of energy density in the ES’ application. In this project, a series of biredox ILs will be designed and synthesized as the electrolyte for electrochemical supercapacitors. Through the pseudocapacitance produced by the biredox IL, the electrochemical performances (density of energy/power) of the ESs can be improved. The structure and properties of the biredox will be measured as well as the performances of the ESs to explore the relationship between the new ILs’ structure and electrochemical properties. Furthermore, by combining the quantum chemistry computation with experimental data, the interaction between the anions/cations of ILs and the electrode materials and the mechanics of the charge storage on the electrode surface will also be investigated deeply during the charging–discharging processes. The overall results will open up a new field in the design and synthesis of novel redox ILs and their application in ESs.

与电池和燃料电池相比，电化学超级电容器（ES）具有更高功率密度、快速充放电性能和长循环寿命等优点，因而受到学术界和工业界的广泛关注。但其主要缺点是能量密度低。离子液体（IL）的电化学窗口宽、化学稳定性好、结构性能可调，有望替代传统的ES电解质。双氧化还原离子液体（BRO-IL）拥有近固体的氧化还原组分的密度，作为电解质在高容量/高速率电荷存储方面具有潜力。本项目拟设计合成一系列双氧化还原离子液体，用作构建多孔石墨烯基超级电容器的电解质，通过双氧化还原离子液体贡献的赝电容来提升超级电容器的能量密度。系统测定BRO-IL的结构和性质，籍此考察BRO-IL的结构与性质特别是电化学性质的关系。通过量子化学计算，并结合结构和性能参数，深入研究超级电容器在充放电过程中BRO-IL的阴、阳离子与电极表面的作用机理及其电荷存储的机制。本项目的开展将有助于新型离子液体的设计合成以及高性能超级电容器的研发。

本项目设计合成了一系列氧化还原活性离子液体（IL）电解质、石墨烯复合物及多孔碳纳米材料，并成功应用于能量储能、分析检测及金属防腐中。1)设计合成了新型氧化还原活性离子液体，组配了新型混合离子液体基电解液，将其应用在碳基电极材料超级电容器中。氧化还原活性离子液体能够提供额外的法拉第赝电容，复配型混合离子液体电解液能够匹配碳基电极材料，因而由此构筑的超级电容器表现出优异的电化学能量存储性能。研究了其电化学性能及储能机理。2)通过表面修饰、杂原子掺杂、引入氧化还原官能团等策略，设计并制备了一系列功能化石墨烯气凝胶，并将其作为电极材料，以离子液体为电解质构筑了高性能超级电容器。由于充分利用气凝胶的大的比表面、离子液体宽的电化学窗口、双电层电容和赝电容协同贡献等特点，该电容器储能性优异能。3)以来源丰富，较易活化的生物质为前驱体，采用简单的合成方法制备了一系列具有高表面积的多孔碳材料，研究了这些电极材料的电化学性能和储能机理。4)设计制备了具有特定结构的多孔碳纳米材料，通过对多孔碳材料微观结构及表面缺陷的调节，使其与电解质离子相匹配，并引入电池型储能机制，从而在维持高功率密度下提高能量密度，提升超级电容器整体性能。5)采用不同的掺杂剂，设计制备了一系列功能化碳点，以此为荧光信号，N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）为温敏性单体及功能单体，构建了用于检测蛋白质的分子印迹荧光传感器。6)建立了新的超声剥离体系(黄腐酸、磺化沥青、磺化酞菁钴或1, 4, 5, 8-四羟基蒽醌)和水热剥离体系(氟化钠-聚醚F127)，制备了复合石墨烯材料，并应用于铝的防腐。本项目的研究成果将有为新型离子液体的设计合成以及高性能超级电容器的研发提供新思路，为绿色制备功能化电化学储能材料提供新途径，同时为开发功能化石墨烯/离子液体基储能材料和器件的设计提供理论依据和基础参数。