基于超电容特性的三元Al-Co-X凝固合金腐蚀产物结构调控及其微观机理研究

The project combines experimental and theoretical analysis method,the porous electrode material of ternary Al-Co-X alloy corrosion product for super capacitor was prepared by solidification and corrosion technology.proposing the porosity of the porous material、Nanometer oxide distribution morphology , size as well as uniformity of the holes with the evolution of technology and etching solution prepared by means of de-alloy porous nano Co3O4 supercapacitor electrode material, Simultaneously,clarifying the formation mechanism of Co3O4 and Co3O4 nano-establish growth dynamics of the physical model to achieve nanometer Co3O4 electrode material morphology, size distribution, structure-controlled ;The porous nano oxide electrode materials for electrochemical performance test analysis, given process parameters and alloy composition influence properties of electrode materials for super capacitors, by means of in situ observation technology, nano porous oxide morphology evolution are in the process of charge and discharge, and revealed three yuan alloy corrosion products of electrode materials for energy storage mechanism, put forward dynamic morphological changes of physical model nano oxide in the process of charge and discharge, establish the relationship model between three yuan corrosion alloy porous nano electrode materials morphology and properties of super capacitor.Research on this project for the expansion of the super capacitor applications lay the theoretical foundation,At the same time providing a new way for the preparation of the electrode material.

采用实验研究和理论分析相结合的方法，借助凝固腐蚀技术制备出超级电容器用三元Al-Co-X合金腐蚀产物多孔纳米电极材料，给出多孔材料的孔隙率、纳米氧化物的分布形貌、孔洞的大小和均匀性随凝固条件和腐蚀工艺的演变规律，阐明多孔纳米氧化物的形成机制，建立纳米氧化物随凝固腐蚀条件生长的热力学和动力学物理模型，有望实现多孔纳米氧化物电极材料的形貌、尺度、分布、结构可控；开展多孔纳米氧化物电极材料电化学性能测试分析，给出工艺参数、合金成分对电极材料超电容特性影响规律，借助原位观察技术，给出多孔纳米氧化物形态在充放电过程中演变规律，进而揭示三元凝固合金腐蚀产物电极材料储能机制，提出纳米氧化物在充放电过程中形态变化动力学物理模型，建立三元合金腐蚀产物多孔纳米电极材料结构形貌与超电容特性之间的关系模型。本项目的研究为制备多孔电极材料提供新思路，同时对于扩大超级电容器的应用领域奠定理论基础。

凝固腐蚀技术制备的纳米多孔材料具有形貌可控、易于进行表面改性、用途广泛等优势对于储能材料的设计具有广阔的应用前景。本项目根据相图热力学以及腐蚀动力学分别以Al65Cu15Ni20和Al70Co20Mn10为前驱体合金，通过调节合金成分，开发了以Al3Ni/Cu2Al4O7两相组织成分的Al65Cu15Ni20前驱体合金，以均质非晶成分的Al70Co20Mn10前驱体合金。分析了合金成分以及熔炼工艺对前驱体合金成分的影响规律，研究表明，冷却速度是非晶成分形成的主要影响因素。开展了前驱体合金的去合金化处理，通过调整不同的NaOH碱性腐蚀液的浓度以及温度，制备了多级孔、纳米阵列以及微纳米颗粒等一系列具有较大比表面的微纳米多孔材料。分析了多孔材料的孔隙率、纳米氧化物的分布形貌、孔洞的大小和均匀性随凝固条件和腐蚀工艺的演变规律。当前驱体是多相成分时，不同尺寸形貌的形成主要和富Al相的金属间化合物和氧化物的优先性溶解以及分布相关，阐明了多孔纳米氧化物的形成机制；对于均质的非晶前驱体主要和元素的活泼性程度以及腐蚀过程的氧化程度相关。此外，项目还以CuO作为集流体复合Ni-Co-Fe，设计了CuO@NCFS核壳结构的复合材料；对石墨烯气凝胶/天然石墨复合材料进行N，S双原子掺杂制备了多孔石墨烯气凝胶/天然石墨复合材（N,S-pGA/NG）；通过引入Ni2+离子，将不规则互联网状 CuS2@LSC 复合材料的形态调控为三维堆叠的 Cu7S4@LSC 微纳米花状结构；通过调整循环圈数在NiS纳米片上沉积CoS，设计了一种新型核壳结构，揭示了形貌结构以及物相的演变机制，达到优化复合电极形貌的目的。通过对微纳米多孔材料的电化学性能测试，解析了形貌结构对于离子存储的作用，进一步结合密度泛函理论（DFT）揭示了协同作用下的储能机制，为微纳米新型功能型材料的设计提供了理论和技术依据，对推动凝固腐蚀技术制备多孔结构电极材料的发展具有重要意义。