超级电容器用氧化物/自支撑淀粉基多孔类石墨烯复合电极材料的结构及电极过程研究

To solve the problems of low capacity and high self-discharge of supercapacitor, this program poposes a design of a new composite cathode material of metallic oxide (MOX) with special microstructure and porous starch-based graphene-like with high specific surface area and conductivity used for supercapacitor. The composite cathode material with high density, high specific capacity and low self-discharge rate used for supercapacitor takes full advantages of porous graphene-like with excellent conductivity, capacitance, pores and framework. Research has focused on the scientific problems of preparation of MOX/starch-based porous graphene-like cathode material, reaction of composite capacitance and self-discharge progress of supercapacitor based on MOX/starch-based porous graphene-like, etc. New research techniques, such as SECM, are explored to investigate the cathode rections of double-layer and pseudo capacitances and essence of self-discharge reaction. This program will get advanced preparation method of MOX/starch-based porous graphene-like composite cathode material to provide theoretical basis for application of supercapacitor in the aspect of new energy storage.

针对超级电容器存在的容量偏低和自放电较大的问题，本项目提出构建具有特殊微观结构的贱金属氧化物与高比表面积高导电性的淀粉基多孔类石墨烯复合的超级电容器用新型电极材料。充分利用多孔类石墨烯的导电性好、电容性能优以及良好的孔洞和骨架结构，作为高比容量的贱金属氧化物的载体，形成具有高密度、高比容量和自放电率小的超级电容器用复合电极材料。重点对金属氧化物/淀粉基多孔类石墨烯电极材料的制备方法、复合电容反应过程和基于氧化物/淀粉基多孔类石墨烯的超级电容器的自放电过程等科学问题进行研究。探索采用扫描电化学显微镜等新方法研究双电层电容、赝电容电极反应过程和自放电过程，揭示复合电容行为和自放电的电极过程本质。获得完善的金属氧化物/淀粉基多孔类石墨烯复合电极材料的制备方法。为超级电容器在新能源储能方面的应用奠定理论基础。

针对超级电容器存在的容量偏低和自放电较大的问题，本项目利用多孔类石墨烯的导电性好、电容性能优以及良好的孔洞和骨架结构，作为高比容量的贱金属氧化物的载体，设计构建了具有特殊微观结构的贱金属氧化物与高比表面积高导电性的淀粉基多孔类石墨烯复合的超级电容器用新型电极材料。通过材料的设计和制备，制备了一系列具有高密度、高比容量和自放电率小的超级电容器用电极材料，例如3D-G@AC微球、MnO@C、MnO@C@CNTs、NiO/G/C等复合材料。重点对淀粉基多孔类石墨烯和氧化物/淀粉基多孔类石墨烯复合电极材料的制备方法进行了研究，获得了材料的形成机理；对原料和产物多孔结构的关系，对原料、制备方法和复合结构与性能的构效关系进行了深入的研究；对其电化学储能机理和电极反应过程进行了相关的研究工作。创新性地提出了通过掩埋法，在无催化剂作用下，以淀粉为原料，合成了石墨烯修饰的多孔中空活性碳微球异质结构，表现出优异的物化性能：材料比表面积为1931m2/g，孔隙率为1.23cm3/g。在有机电解液中，1A/g电流密度下，该材料释放出163F/g的比电容和41.26Wh/kg的能量密度，10000次后的电容保持率为93%；在此基础上，通过对材料形成机理的探索和创新，在淀粉基碳微球的形成过程中引入MnO和NiO等多种贱金属氧化物，制备得到MnO@C在电流密度0.2A/g下，容量高达1368.3F/g；制备的MnO@C@CNTs复合材料，在1A/g的电流密度下，质量比电容为757.4F/g。本项目获得了具备优异性能金属氧化物/淀粉基多孔类石墨烯复合电极材料完善的制备方法。为超级电容器在新能源储能方面的应用奠定理论基础。