双阴离子协同掺杂聚吡咯基宽电压窗口超级电容器电极材料

Polypyrrole (PPy)-based electrode materials possess ultra-high theoretical specific capacities and wide theoretical potential window. Because it is difficult to build efficient and stable ion transport channels on molecular/ion scale, the potential window of PPy-based electrode materials is usually narrow in application. In this project, dual anion co-doped polypyrrole/aligned carbon nanotubes (PPy/ACNTs) core-shell nanotube arrays on metal foil will be fabricated. The structure and doping concentration of monovalent anionic also would be precisely controlled to build high efficient ion transport channels on molecular/ion scale, which would widen the potential window of the electrode materials. When the doped anions were partially replaced by the rigid high valence anions of different spatial configurations and valence states, the ion transport channels would be stabilized, the volume changes of the electrode materials in electrochemical process would be reduced, and the rate performance and cycle life of the electrode materials would be improved. Thus, the fabrication of high performance PPy-based electrode materials with high stability and high specific capacitance in wider potential window can be expected. Based on the novel PPy-based electrode materials, the symmetric aqueous supercapacitors with wider potential window, higher energy density, higher power density and long cycle life will be fabricated.

聚吡咯是一种理论比电容较高、理论电化学活性电压窗口较宽的超级电容器电极材料，但在实际应用中难以构筑顺畅且稳定的阴阳离子传输通道，导致其电化学活性电压窗口较窄，极大地限制了其应用。本项目拟采用定向碳纳米管阵列为模板，通过电化学沉积制备一价阴离子与刚性高价阴离子协同掺杂的聚吡咯/碳纳米管同轴电缆阵列纳米结构。一价阴离子原位掺杂构筑顺畅的离子传输通道，扩展电极材料的电化学活性电压窗口。刚性高价阴离子部分取代掺杂，有效稳固离子传输通道，减小电化学过程中电极材料的体积变化，提高其倍率性能和循环寿命。深入研究一价阴离子的结构和掺杂量与电化学活性电压窗口之间的关系；以及刚性高价阴离子的空间构型、价态及取代掺杂程度对倍率性能和循环寿命的影响；优化实验条件，得到兼具宽电化学活性电压窗口和高稳定性的聚吡咯基电极材料。在此基础上初步尝试构筑具有宽工作电压窗口、高能量密度、高功率密度、长寿命的对称水系超级电容器。

电化学电容器作为一种新型储能装置，因其高功率密度、高能量密度 和长使用寿命等特性在许多领域都有广泛应用。在超级电容器自身发展过程中，能量密度低和价格过高限制了其发展速度，而电极材料是决定超级电容器能量密度和成本的关键因素。聚吡咯是一种理论比电容较高、理论电化学活性电压窗口较宽的超级电容器电极材料，但在实际应用中难以构筑顺畅且稳定的阴阳离子传输通道，导致其电化学活性电压窗口较窄，极大地限制了其应用。本项目采用定向碳纳米管阵列为模板，通过电化学沉积制备了一价阴离子与刚性高价阴离子协同掺杂的聚吡咯/碳纳米管同轴电缆阵列纳米结构。其纳米结构有效地实现了较高的聚吡咯负载量；一价阴离子原位掺杂构筑了顺畅的离子传输通道，扩展电极材料的电化学活性电压窗口；刚性高价阴离子部分取代掺杂，有效稳固了离子传输通道，减小电化学过程中电极材料的体积变化，提高了电极材料的倍率性能和循环寿命。深入研究了一价阴离子的结构和掺杂量与电化学活性电压窗口之间的关系；以及刚性高价阴离子的空间构型、价态及取代掺杂程度对倍率性能和循环寿命的影响。经优化实验条件，得到了兼具宽电化学活性电压窗口（1.8 V）、高比电容（407 F/g）和高稳定性的聚吡咯基电极材料。在此基础上，构筑具有宽工作电压窗口（1.8 V）、高能量密度（45.8 Wh/kg）、高功率密度（6527 W/kg）、长寿命（2000 次循环衰减＜9%）的对称水系超级电容器。本项目的研究将为发展高性能聚合物基超级电容器电极材料提供理论依据和实验基础。