嵌锂化合物/层次孔纳米炭柔性复合电极分级异质结构及储能机制研究

With the advent of flexible electronics, flexible energy supply devices with both high-rate and high-capacity attracted great attentions. Asymentric supercapacitor can combine the advantages of both lithium-ion battery and supercapacitor, which may meet the requirements. The objective of the proposed research is to in-situ synthesize nano Li intercalation compounds on porous graphitic electrospun hollow carbon fibers filled by graphene (graphitic carbon electrode) and evaluate the performance of the composite electrode as a hybrid supercapacitor cathode. This composite electrode may replace conventional activated carbon for achieving excellent cell performance. Initial work will focus on the evaluation of qualitative morphological of the nano Li intercalation compounds material and graphitic carbon electrode separately. A fundamental understanding of the one step methodologe will be established to in-situ synthesize nano Li intercalation compounds on graphitic carbon electrode composite. The surface and interface of Li intercalation compounds and graphitic carbon electrode will be rationally regulated and optimized by studying the structure, morphologies and mass ratio of nano Li intercalation compounds material in micro and nanoscale in conjunction with different types of carbon in such a graphitic carbon electrode. The the electrochemical performance of the composite is tested as a cathode in flexible hybrid supercapacitor. Based upon this, the charge storage and transport mechanisms during the electrochemical process will be elucidated. The proposed research will expand the knowledge base of hybrid supercapacitor cathode field making it possible to introduce new types of hybrid fibrous materials and films to be used in high-rate, high-capacity flexible hybrid supercapacitor, especially at high current densities.

下一代可穿戴、可折叠设备的发展对储能器件提出了柔性、兼具高能量密度、高功率密度（双高）、高安全性的全新要求。纳米结构功能炭材料是实现柔性双高器件的重要途径。本项目以增强电荷存储和传导为目的，以自支撑三维层次孔结构空心纳米炭纤维为基础，围绕双高型柔性复合电极分级异质结构构筑及多相体系中电子、离子强化传输机制这一科学问题，通过层次化、纳米化/无定性化、复合化技术，从炭/嵌锂化合物、石墨烯/无定形炭界面构造入手，实现具有快速充放电性能及弯折稳定性的分级异质结构嵌锂化合物/纳米炭复合电极的构筑。揭示双高型柔性复合电极材料的结构设计原理与制备科学，阐明电化学过程中电子、离子在复合结构中的存储和输运机制，建立功能化纳米结构炭材料在能量存储和转化过程中的应用基础理论，指导双高型柔性复合电极材料的可控制备，研制出具有自主知识产权和性能优异的材料和器件。

嵌锂化合物/层次孔纳米炭柔性复合电极分级异质结构及储能机制研究》按计划执行项目研究内容和目标。本项目提出了“静电纺丝结合软模板法造孔”的思路，通过引入不同分子量的高分子材料，在纳米尺度实现相分离，无需活化，一步碳化构造层次孔结构。解决了活化造孔碳损过高导致价格昂贵的问题，为低成本纳米碳纤维制备提供了规模化生产的可行路径。该方法可以推广到不同前躯体制备多孔纳米碳纤维中。申请人应邀在碳材料最权威期刊Carbon撰写软模板法制备多孔碳的综述论文。本项目阐明了影响高担载量条件下电极材料比容量的机理为“三维边界限制生长于纳米纤维体相的MnO2与一维边界限制生长的表面MnO2呈现不同的生长轴向”，工艺简单，制备成本极低，利于工业量产。 研究揭示了混合器件用层次孔纳米碳复合电极使役条件下表界面变化规律、电解液/电解质与正极材料的匹配与循环寿命、容量保持率的构效关系，阐明了锂离子电容器和超电极电容器电极的储能机制以及动力学特性，为设计高性能的新型电极材料奠定理论基础。组装锂离子混合器件，实现了最大能量密度 154 Wh/kg（功率密度为247 W/kg），在 30 kW/kg的大功率密度下能量密度仍能保持53 Wh/kg的优异性能。6000次的循环后，容量保持率为92%。本研究提出了静电纺丝法和模板法两种制备尖晶石型锰酸锂的可行路径。静电纺丝法制备的锰酸锂在1C电流密度下首次放电容量在110 mAh/g，在长循环周期900圈后容量保持率为80%。在大电流5C下，材料表现出100 mAh/g的首次放电容量，在1600圈循环后容量保持率为87%。模板法制备的锰酸锂在0.5C下，放电容量可达130 mAh/g，循环100圈容量保持率为100%。在1C下，放电容量可达120 mAh/g，循环100圈后容量保持率为96%，具有非常好的循环稳定性。.本项目执行期，申请人获得国家自然科学基金优秀青年基金资助；2018年获得了IAAM (International Association of Advanced Materials) Scientist Medal。本项目研究成果发表SCI论文17篇；国际会议最佳海报1篇；授权专利6项。培养在读博士生7名；已毕业博士生1名；在读硕士生2名；已毕业硕士生8名。