微型超级电容器介孔钼/氧化钼核壳结构纳米柱阵列三维电极及其电化学性能

Recent development in portable and miniaturized electronic devices has stimulated the demand for micro- power sources that are sufficiently compact and can be integrated into such systems. Micro-supercapacitors are particularly attractive and have great potential because of their high power density, long cycle life and fast charging capability. In this project, the Molybdenum oxide featured with high electrochemical activity is selected as electrode material, and the study focuses on increasing the energy and power densities of micro-supercapacitors by controlling the microstructure properties of electrode materials and optimizing the electrode architecture. Firstly, the influences of the material porosity and crystalline structures on pseudocapacitance behavior will be investigated systematically, aiming to identify the inherent relationship between material microstructures and electrochemical performances. Secondly, in order to increase the electrochemical active surface area and conductivity of the microelectrodes, interdigital mesoporous Molybdenum/Molybdenum oxide core-shell structural nanopillar arrays will be developed by improving electrode architecture. Moreover, the 3D porous microelectrodes will be investigated in depth to learn its electrochemical properties and reaction mechanism by combing electrochemical techniques and multiple physical chemical measurements. Finally, high performance porous Molybdenum oxide electrode material will be developed for on-chip micro-supercapacitors and at the same time, guidance on design and fabrication interdigital 3D porous electrode can also be expected by virtue of the implementation of this project.

随着便携式和迷你型电子设备的迅速发展，迫切需要可以与之相集成的微型电源为其提供动力和能量。微型超级电容器由于具有高功率密度、超长的循环使用寿命、可快速充电等优异特性具有巨大的发展潜力。本项目以具有高电化学活性的氧化钼为研究对象，通过对其微观结构的调控和微电极结构的设计，探索其作为电极材料进一步提高微型超级电容器能量密度和功率密度的机理。首先，系统研究其孔隙特性和晶体结构对赝电容行为的影响，以揭示氧化钼微观结构与电化学性能之间的关系；其次，通过对微电极结构的设计获得交叉指型介孔钼/氧化钼核壳结构纳米柱阵列三维电极，实现对微电极电化学活性比表面积和电导率的提高。利用多尺度、多方位的结构表征及电化学测量手段分析该三维多孔电极的电化学特性和电化学反应机制，为氧化钼在微型超级电容器领域的应用提供理论指导和技术借鉴，并最终研制出具有优良电化学性能可集成在芯片上的微型超级电容器三维多孔电极。

随着便携式、迷你、可穿戴、可植入式电子设备的迅速发展，迫切需要可以与之相集成的微型电源和能量存储单元为其提供动力和能量。微型超级电容器由于具有高功率密度、超长的循环使用寿命、可快速充电等优异特性具有巨大的发展潜力。本项目以具有高电化学活性的纳米结构氧化钼材料为研究对象，通过对其微观结构的调控和微电极结构的设计，探索其作为电极材料进一步提高微型超级电容器能量密度和功率密度的机理。首先，研究了氧化钼微观形貌（包括氧化钼纳米棒、纳米带和纳米颗粒）和晶体结构（α-MoO3和MoO3-x）对其赝电容存储性能的影响；其次，研究了氧化钼纳米复合材料，包括MoO3/C 纳米纤维和MoO3/NiMoO4核壳纳米带，对电极电导率和电化学性能的促进机制；最后，以氧化钼纳米棒为电极材料，印刷制备了平面叉指结构的对称型和非对称型微型超级电容器，利用多尺度、多方位的结构表征及电化学测量手段研究了该微型电极的电化学反应机制和电化学特性，包括比电容值、充放电速率特性、能量密度、功率密度、循环寿命做出客观评价。研究结果表明，以MoO3-x纳米棒为正极活性材料、活性碳纳米球为负极活性材料、海藻酸钠水凝胶为电解质，在聚酰亚胺薄膜基底上所制备的柔性固态非对称微型超级电容器的面积比电容可达47.20 mF cm-2，当功率密度为0.18 mW cm-2 (0.40 W cm-3)时，能量密度达21.20 μWh cm-2 (47.11 mWh cm-3)，优于文献报道的其它微型超级电容器的能量密度。此外，该微型超级电容器还表现出优异的充放电循环稳定性，在2 mA cm-2的电流密度下经过1万次充放电循环，电容保持率为95%，并且展示出良好的抗弯折机械稳定性。以上研究结果为氧化钼纳米材料在微型超级电容器领域的应用进行了前期探索，明确了纳米结构氧化钼材料通过对其微观结构的控制以及微电极结构的设计，在微型超级电容器领域应用的先进性，为实现低成本、大规模、可持续制备可集成在芯片上的微型超级电容器提供了理论依据和技术路线。