多维过渡金属磷化物材料的设计合成及其在柔性固态超级电容器中的应用研究

Flexible solid state asymmetric supercapacitors (FSASC) show great potential in the fields of wearable electronics due to their flexibility, portability, stability and safty. However, further improving their storage capacity and energy density are the major challenge in pushing this technology for their commercialization. The development of positive or negative electrode materials with excellent performance is an effective way to improve the capacity and energy density of a FSASC. Therefore, in the current project, positive or negative transition metal phosphide materials with various morphologies will be prepared via structural design and phosphating treatment. The electrochemical activity and the charge storage ability of the transition metal elements will be improved via exchanging their anions. Based on the obtained materials, a FSASC will be fabricated by using the as-obtained phosphide cathode or anode materials, so as to effectively improve the performance of a FSASC, such as the working voltage, storage capacity and energy density. The results of this study would lay an experimental foundation for the development of electrode materials with high Faraday reaction activity or high charge storage ability, and may play an important role in establishing a comprehensive material library for the design of flexible electrode materials.

柔性固态超级电容器(FSASC)具有高柔性、轻便、稳定性好和安全性高等优点，在可穿戴电子等领域呈现出巨大的应用潜力。然而，如何进一步提高FSASC的储电容量和能量密度是推动这项技术商业化发展的最大挑战。研究表明，开发使用性能优异的的正、负极材料是提高FSASC储电容量以及能量密度的有效方式。鉴于此，本项目拟通过对性能互补的赝电容正、负极材料进行结构设计和磷化处理，合成不同形貌的过渡金属磷化物赝电容材料，通过替换阴离子以及设计多维分级结构等方式，提高材料的电化学反应活性，改善过渡金属元素对电荷的有效存储能力。在此基础上，设计基于磷化物正、负极材料的FSASC，从而有效提高FSASC的工作电压、储电容量以及能量密度等性能。本课题将为设计磷化物基的FSASC提供实验依据，为进一步调节过渡金属材料的法拉第反应活性、电荷的有效存储以及建立全面的材料库用于新型柔性电极材料的筛选设计等均有重要的作用。

便携式电子产品的广泛使用迫切要求相应的储能设备具有优越的能量/功率密度和长寿命。柔性非对称超级电容器(FSASC)能够很好地结合不同电极的储能特点，从而使最终的器件具有高工作电压、高能量密度以及长循环寿命等优势。其中，对电极材料微观结构的设计是进一步提高FSASC电化学性能的重要方式，为此，本项目从材料的合成出发，通过模板法、阴离子取代以及构筑异质结构等方式调节电极材料的结构、组分、晶体结构、微观形貌、孔结构、比表面积等物化性质，优化钴镍基磷化物赝电容材料的比容量、倍率性能和循环稳定性等性能，实现对钴镍基磷化物材料赝电容反应活性的调节作用，从而获得一系列高电活性的磷化物电极材料(例如：具有异质结构的Ni2P/NiCoP纳米颗粒、具有核壳异质结构的CoP纳米线@Ni2P纳米片磷化物、钴镍基磷硫化空心纳米盒子、双金属镍钴磷化物、以及空心磷硫化异质结构CoNi-PS/C等)，在此基础上，获得了基于上述材料的高工作电压与高能量密度的一系列柔性非对称超级电容器。在众多所设计的器件中，能量/功率密度最高可达55.6 Wh kg−1/941.2 W kg−1，并表现出长循环寿命等优势。由上述材料所组装的磷化物基混合超级电容器能够驱动手机、计时器、LED等用电器正常工作，从而证明所设计的磷化物基赝电容超级电容器的实际应用潜力。同时，本研究结合物相表征与电化学测试结果，分析与阐明引起赝电容材料电化学性能增强的关键原因，揭示材料结构与电化学性能之间的相关性。此外，基于本项目在水系电池电极制备、电池组装、凝胶电解液的探索与混合超级电容器性能测试等方面开展的研究，增加了有关水系锌离子混合电容器的电极材料与凝胶电解质方面的研究，例如：氮掺杂非晶炭包裹的MXene正极材料、含离子型和共价型双交联网络的κ-卡拉胶/聚丙烯酰胺/Zn(CF3SO3)2水凝胶电解质等，上述研究在缓解锌枝晶生长以及腐蚀等问题表现出明显优势。所设计的凝胶电解质的离子电导率高达2.3 S m-1，所得器件的能量密度最高可达86.5 Wh kg-1，相关内容为今后开展该方向的研究奠定良好基础。