纳米层状电极材料的纳米层结构调控及电容性能研究

利用无机纳米层所具有的大比表面积和层状结构所具有的离子快速迁移优势，以石墨稀、层状氧化锰和层状二氧化钌剥离得到的纳米层为组装单元，发展同时氧化/还原法和絮凝聚沉法制备纳米层状电极材料新技术。利用LB膜组装技术，通过考察纳米层组装量、层电荷匹配比及表面压等组装因素，达到控制制备材料厚度及纳米层的可控排列，实现纳米层状电极材料的结构调控；通过测量组装材料的电化学性能，研究不同组分纳米层对材料电容性能的影响，为设计结构与性能具有协同效应的纳米层状电极材料提供依据；通过优化电容器电极质量比，不同结构电容器匹配设计及拓宽电容器电势窗口等手段，研究制备材料的电化学反应机理和电荷储存的本质，实现组装材料能同时发挥双电层电容和赝电容双重存储机制，解决超级电容器电极材料比能量密度低等突出问题，实现超级电容器电极材料设计、结构调控和性能的进步。本研究将促进储能材料、纳米材料及超级电容器电极材料等领域的进步。

超级电容器其性能主要受电极材料、电解液和组装技术制约，而新型电极材料是发展高性能超级电容器的主要手段。借助不同属性材料单元集成组装，达到实现制备材料在大电流密度下的高倍率性能和高比容量储能能力，发展具有高能量密度，快速充放电超级电容器用电极材料，是超级电容器电极材料的重点发展方向之一。在国家基金委“纳米层状电极材料的纳米层结构调控及电容性能研究”课题资助下，4年来课题围绕纳米层组装技术制备层状/三维网络结构电极材料及其电容性能研究，纳米层孔洞化技术及其对制备材料倍率性能改善研究，大比表面积超级电容器电极材料制备及其电容性质研究，不对称超级电容器组装及提高超级电容器能量密度及新颖形貌过渡金属氧化物微/纳米电极材料制备及其电容性质研究等五个方面进行了系统工作。通过这些研究工作开展，取得的主要研究结果如下：（1）发展了同时氧化/还原法和絮凝聚沉法制备功能性层状/三维网络结构电极材料新技术，为组装高性能超级电容器提供了新型电极材料；（2）纳米层组装技术制备的高比容量、高循环稳定性层状/三维网络结构超级电容器用电极材料，为改善超级电容器比容量及能量密度提供了新的途径；（3）开发了絮凝聚沉-冷冻干燥及自支撑层组装制备空洞结构纳米电极材料新技术，发现纳米层孔洞化技术是改善超级电容器电极材料倍率性能及电容性能的有效手段，为发展高能量密度和大倍率超级电容器用电极材料提供了新途径；（4）大比表面积电极材料不仅可以提高电极材料的活性位点，而且可以增加电极材料与电解液的接触面积，从而有效提高电极材料的比容量；（5）拓宽超级电容器工作电压窗口、选择合适的电解质及合适的正负极匹配，是提高超级电容器能量密度的重要措施。这些研究结果为组装能同时发挥双电层电容和赝电容双重存储机制，发展高比能量密度超级电容器电极材料，实现超级电容器电极材料设计、结构调控和性能的进步具有重要的指导意义。