具有电化学大膨胀收缩应变效应的纳米结构金属氧化物/石墨烯复合电极及其电化学-机械驱动性能

A high performance electrochemical-mechanical actuator has electrode with high strain output and high cyclic stability. The widely studied nanostructured carbon electrode show strain output less than 1%, while some metal oxides with variable valency possessing large volume variation show more than 50% strain during the energy storage process as battery electrode. Such big volume variation of metal oxides is maily induced by ion insertion and extraction. The goal of this project is to fabricate macroscopic electrochemical-mechanical actuator electrode by combining graphene and metal oxide with large electrochemical induced volume variation. Study on the electrochemical and electrochemical mechanical actuation bahavior under the influence of electrode composite, structure, ionic type will be carried out to reveal the relation between ionic insertion and extraction in metal oxide, electrode structure and composition and actuation behavior. The analysis and evaluation method will be setup for typical actuation behavior of metal oxide electrodes based actuation system, which will be used for optimizing its structure and actuation performance. This research can lead to new approach for designing electrode of high performance electrochemical mechanical actuator.

高性能电化学-机械驱动器要求其电极具有高循环稳定性和大应变输出能力。作为当今研究热点以及具有高电化学循环稳定性的碳纳米结构电极的驱动应变输出不到1%。某些纳米结构金属氧化物作为电池电极在电化学能量存储过程中可在单一方向产生超过50%的膨胀收缩应变，该应变效应主要由离子嵌入和脱嵌过程形成导致，远高于碳纳米结构电极。本研究通过将具有电化学大膨胀收缩应变这一物理化学特性的金属氧化物与石墨烯复合，将金属氧化物的电化学膨胀收缩应变效应和石墨烯纳米结构高电化学循环稳定性有机结合，构建电化学-机械驱动器件柔性复合电极，研究电化学-机械驱动过程中电极组成、结构和离子类型等因素对电极的电化学特性和驱动行为的影响，揭示离子在金属氧化物内部的嵌入/脱嵌行为、电极组成结构和驱动行为之间的相互关系，以此指导电极组成结构和驱动性能的优化，为高性能电化学-机械驱动器件的电极设计提供新的研究思路。

高性能电化学-机械驱动器要求其电极具有高循环稳定性和大应变输出能力。虽然纳米结构碳基柔性电极具有良好驱动稳定性和加工成膜性，但是其驱动应变输出一般小于1%。作为电池电极的某些纳米结构金属氧化物在电化学充放电的离子嵌入和脱嵌过程可在单一方向产生超过50%的膨胀收缩应变，远高于纳米结构碳基电极。本项目通过对石墨烯进行精细的面内结构调控以及复合纳米结构金属氧化物，成功制备了高电容柔性电极材料并用于构筑可在空气中驱动的双晶片驱动器件。通过结构表征、电化学分析结合驱动特性分析，项目研究了柔性复合电极所构筑驱动器件的驱动特性及其与电极电化学性质之间的关系。通过结构优化所制备的面内多孔石墨烯作为驱动器件电极，其在0.001Hz频率的3.5V三角波驱动下比电容可以达到46F/g，电极应变输出达到0.51 %。将其与四氧化三钴复合，所构筑的驱动器件其复合电极比电容高达104F/g，驱动应变达到1.13%，是未复合前的2.22倍，是传统方法制备的面内无孔石墨烯电极驱动应变的3.14倍。通过本项目的开展，进一步实验证明了电极驱动应变与电化学电容的正相关性，研究了驱动器件柔性复合电极应变与驱动电压之间的非线性关系，结合电化学与驱动测试分析揭示了非线性驱动应变输出受特定氧化还原电位影响的机制，为后续深入发展石墨烯基驱动体系提供了有借鉴意义的实验依据和电极材料设计的新思路。