超级电容器用Nb2O5微结构调控及其嵌入型赝电容的研究

The faradaic reaction or ion adsorption can occur only at or near the surface of electrode material, resulting in the low energy density of supercapacitors. Thus, one great challenge for the supercapacitor technology is to improve the energy density without sacrificing the power density and cycle life. This project aims to research a novel intercalation pseudocapacitance to break the limitation of interface capacitive behavior, significantly improves the energy density of the supercapacitors. Many approaches to improve the pathway for electrons and transport channels for lithium ions will be explored, including the fabrication of ideal structure of Nb2O5, construction novel Nb2O5/C and heterojunction composites, control the defect of Nb2O5 and so on. The effect of morphology, structure, crystallization on the electrical conductivity and intercalation pseudocapacitive will be studied in detail by using in situ characterization and electrochemical testing technology. This research intends to reveal the characteristics of intercalation pseudocapacitance and establish the basic pathways to improve the intercalation pseudocapacitance, which provide deep theoretical guidance for the development and improvement of the intercalation pseudocapacitance materials. Based on the above research result, we will further fabricate and construct the Nb2O5//graphene asymmetric supercapacitors in organic electrolyte. Revealing the working mechanism of this kind of asymmetric supercapacitor, and providing important theoretical basis for designing and fabricating high performance asymmetric supercapacitors.

由于超级电容器的电极材料是依赖于发生在界面的吸脱附或氧化还原反应来储存能量的，导致超级电容器的能量密度较低，是亟待解决的难题。本项目拟研究一种新颖的嵌入型赝电容，突破了限制在界面的有限电容行为，极大提高超级电容器的能量密度。拟通过对Nb2O5的结构控制、构筑新型Nb2O5/碳纳米复合和异质结复合材料、调控Nb2O5结构缺陷等策略来改善离子、电子传输速率，提高Nb2O5的电化学性能。利用原位表征手段和电化学测试技术，系统深入地研究改性或复合后Nb2O5的形貌、结构、结晶性等与导电性及嵌入型赝电容电化学行为之间的相互作用关系，揭示嵌入型赝电容的特性及调控规律，为发展和改进嵌入型赝电容电极材料提供深层次的理论指导。基于以上研究成果，进一步设计并构建Nb2O5//石墨烯有机体系非对称超级电容器，阐明该类型非对称超级电容器的工作机理，为设计高性能超级电容器提供重要的理论和科学依据。

针对超级电容器能量密度较低的技术瓶颈, 本项目研究基于Nb2O5的离子嵌入型赝电容，极大提升超级电容器的能量密度。Bruce Dunn等人提出T-Nb2O5的嵌入型赝电容具有优异的动力学行为，同时P. Ganesh等人通过DFT理论计算发现T-Nb2O5的扩散能垒非常低，近乎离子导体，因此T-Nb2O5是一种非常有潜力的赝电容负极材料。但是，不同合成方法制备的材料结晶性和结构可能存在巨大差异，提高结晶性有利于增强材料的电子传导，结晶度过高也会限制晶格内离子扩散，进而限制电化学活性区域深度。材料微结构化有利于增加活性界面，但界面过度开放也会导致结构稳定性下降。Nb2O5的嵌入型赝电容行为与传统金属氧化物发生在表面或近表面的法拉第赝电容不一样，电极材料的结晶性、纳微结构以及比表面积对嵌入型赝电容的影响规律尚不清楚。同时，Nb2O5自身的缺点也不容忽视，差的本征电子导电性(~3×10−6 S cm−1)是限制Nb2O5基锂离子电容器功率密度和循环稳定性的主要原因。. 因此，本项目具体研究内容如下：利用各种结构、成分表征和电化学测试技术，深入研究Nb2O5的形貌、结构、结晶性等与导电性及嵌入型赝电容电化学行为之间的相互作用关系，并阐明相关作用机理，为调控和优化嵌入型赝电容电极材料提供深层次的理论指导；通过对 Nb2O5 的微观结构控制、制备 Nb2O5/碳纳米复合材料等策略改善电子导电率，然后同时实现高电子/离子电导，从而获得高性能Nb2O5负极材料；设计并构建Nb2O5//AC有机体系锂离子电容器，通过电极结构设计和正负极匹配关系最大限度提升器件的电化学性能，能量密度和功率密度分别为66.6 W h kg−1和17.5 kW kg−1，以及在2 A g−1电流密度下循环20000圈后能量密度保持率仍有88.6%。