类石墨烯泡沫与多级结构金属氧化物复合的超级电容器电极研究

Supercapacitors have presented a great potential in many fields such as communication technology, electric vehicle, aerospace, national defense, and so on. However, the stubborn defects of supercapacitors are low energy density, poor rate performance and low mass-loading. The key points to overcoming these weaknesses are designing and fabricating excellent supercapacitor electrodes. In this project, we propose to fabricate supercapacitor electrodes via combining three dimensional hierarchical metal oxides with graphene-like material foams. The three dimensional frameworks of the current collectors benefit the contact with the active materials. Moreover, coating graphene-like materials on the metal foams will construct a conductive network. In addition, three dimensional hierarchical structures can prevent the materials from self-aggregation and improve their structural stability. Optimizing the electrode structures and electrode materials at the same time probably realize a great improvement of the electrochemical performance of supercapacitors, which is meaningful to the exploitation and utilization of new energy sources and renewable energy sources.

超级电容器在通信技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景。目前，超级电容器仍存在容量与能量密度较低、活性材料有效利用率较低、大电流充放电能力较弱等问题。突破这些瓶颈的关键是设计和制备出性能优异的超级电容器电极。本项目提出了用类石墨烯泡沫与三维多级金属氧化物相复合，制作新型超级电容器电极。三维多孔电极结构可以有效地使集电极与电极材料充分接触，提高电极材料的负载量。在三维多孔结构表面生长类石墨烯材料可以构建导电性更好的网状结构。三维多级结构金属氧化物材料可以克服自团聚、结构稳定性差等难题。从电极的结构与材料同时入手，通过两方面的协同作用能显著改善超级电容器电极的性能，有望促进超级电容器性能的突破，对新能源和可再生清洁能源的开发和利用具有重要的现实意义。

超级电容器作为一种具有清洁、快速充放电、高功率密度和循环稳定性等优点的能量储存器件在通信技术、混合动力汽车和便携式电子器件等方面具有广泛的应用前景。然而，由于能量密度较低，限制了其应用。因此，如何提高超级电容器的容量、能量密度和倍率性，且不降低其循环寿命是本项目的研究重点和难点。本项目开展了石墨烯泡沫@金属氧化物、石墨烯@金属化合物、过渡金属磷化物、异质结等不同类型电极材料的制备和储能性能研究。项目主要从电极的三维织构、微纳结构调控、界面效应、协同效应等方面设计开发出具有高比容量的超级电容器用功能电极材料，研究其储能机理，为未来新型高效超级电容器的设计提供实验和理论指导。另外，基于本项目主要工作在形貌可控纳米材料的制备及石墨烯/过渡金属类无机材料复合物方面的工作积累，我们还开展了相关材料的磁性与微波吸收性能研究。这些工作也为超级电容器材料的研究提供了经验积累和应用拓展。本项目在Nanoscale, Carbon，Chem. Eng. J.，J. Alloys Compd., Appl. Surf. Sci.等SCI期刊上发表学术论文29篇，其中高被引论文5篇。