金属氧化物赝电容电极材料的介尺度多级结构设计与控制合成

As an excellent storage device, supercapacitor owns higher power density, therefore, it is so widely used as hybrid power. The electrode material is the key to improve electrochemical performance of supercapacitors. Based on the mechanism of energy storage as well as active materials, supercapacitor can be classified into two categories, one is pseudocapacitor and the other is electrochemical double layer capacitor. The pseudocapacitor, which storages energy via fast and reversible redox reaction on the surface or near-surface of electrode material, shows higher specific capacitance and larger potential window leading to the higher energy and power density. Therefore, the corresponding research attracted considerable attention in recent years. Mesoscale structure of electrode materials is the key to influence the performance of the electrochemical capacitor. In this study, we planned to obtain mesoscale capacitor electrode materials of transition metal oxides through the structural design and precise control of the synthesis, so as to achieve its structure and composition of mesoscale precision control, and the preparation of mesoscale hierarchical structural constraint capacitor electrode materials. The obtained electrode materials due to larger specific surface area and porous structure, the contacting surface area between active material and electrolyte will be increased leading to more active sites for redox reaction, which shorten the diffusion distance of ion and electron, therefore, the specific capacitance, rate capacity and energy density will be increased, meanwhile the stability will be improved. Material with excellent and efficient synthesis technology route, interpret structure-function relationship of the materials, extend the way of thinking for high-performance energy storage materials.

超级电容器作为新型储能设备，拥有超大功率密度和良好的循环稳定性，可广泛应用于混合动力等领域。电极材料是超级电容器的重要组成部分，根据其储能机理，超级电容器为赝电容器和双电层电容器。其中，利用表面或者近表面的氧化还原反应储能的赝电容器拥有更大的比容量及更宽的电压窗口，可以有效的改善超级电容器的功率和能量密度, 近年来相关研究备受瞩目。电极材料的介观结构是影响电容器电化学性能的关键。本研究计划通过对过渡金属氧化物赝电容器电极材料的介观结构设计与精密控制，实现其介尺度结构与成分的精密调控，制备介孔多级结构赝电容电极材料，增加电解液与活性材料之间的接触面积，为氧化还原反应提供更多的活性位点，缩短电子和离子的传输路径，从而增加赝电容电极材料的比容量、倍率性能以及能量密度和功率密度，并改善其循环稳定性。获得优异材料的同时形成高效的合成技术路线、解明材料构效关系，拓展高性能储能材料的研发思路。

当前，储能系统在不同领域内扮演着越来越重要的角色，比较典型的领域如电动交通工具、电力系统等领域。在这种背景下，高能量、高功率的储能器件成为中国战略性新兴产业发展的迫切与重大需求，也是“卡脖子”的核心技术。超级电容器作为一种新型储能器件，具有功率密度高、免维护、寿命长等优异性能，因此成为学术界和产业界关注的热点。其中电极材料是超级电容器的重要组成部分，而电极材料的介观结构是影响电容器电化学性能的关键。本项目聚焦超级电容器器件的电极材料结构设计与性能调控，突破传统电极材料低容量、器件功率密度和能量密度难以兼得的科学难点，探索电极材料的创新设计思想，培育新颖超级电容器制造核心技术，为新型过渡金属化合物纳米材料在超级电容器领域的应用提供科学依据和理论指导。本项目通过对过渡金属氧化物、硫化物、氮化物等电极材料的介观结构设计与精密控制，实现其介尺度结构与成分的精密调控，制备介孔多级结构微纳电极材料，增加电解液与活性材料之间的接触面积，为氧化还原反应提供更多的活性位点，缩短电子和离子的传输路径，从而增加新型储能器件的比容量、倍率性能以及能量密度和功率密度，并改善其循环稳定性。获得优异材料的同时形成高效的合成技术路线、解明材料构效关系，拓展高性能储能材料的研发思路。同时，相关的研究成果可以扩展到具有相似储能机理的碱性水溶液电池、锂离子电池、锂硫电池等相关领域，从微纳结构设计的角度进一步提升储能器件的综合性能。