自支撑纳米二硫化钼/碳纤维复合材料的原位制备及其柔性全固态混合超级电容器的性能研究

Combining the merits of high power density of supercapacitors and high energy density of lithium-ion batteries, hybrid supercapacitors have great applications in portable electronic devices, electric vehicles, and so on. However, most hybrid supercapacitors in reported works have poor rate performance, which means that the energy density decays severely with the increase of power density. The key point to solve this issue is to develop novel anode materials with excellent rate performance. In this project, free-standing nano MoS2/carbon fiber composite will be in-situ synthesized by using environmentally friendly low-cost bacterial cellulose as the precursor of carbon fiber. In this composite, carbon nanofiber works as a three-dimensional conductive skeleton, which can accelerate electron and ion transportation; while the nano MoS2 has large specific surface area which can increase Li+ storage space and shorten the Li+ transportation path. Due to the synergistic effect, the composite would exhibit high capacity, good rate performance and good cycling stability. Furthermore, owing to the good flexibility of the carbon-fiber-based electrode materials, all-solid-state hybrid supercapacitors based on the above composite will be fabricated for the first time, and the flexibility, electrochemical performance as well as the working mechanism will be investigated in this project. Finally, flexible all-solid-state hybrid supercapacitor with high energy density,high power density and long cycling life will be obtained.

混合超级电容器由于兼具超级电容器功率密度高和锂离子电池能量密度高的优点，在电子设备、电动汽车等领域具有巨大的应用前景。然而目前报道的大部分混合超级电容器存在倍率性能差的问题，即随着功率密度的提高，器件的能量密度急剧衰减。解决问题的关键在于研发具有优异倍率性能的新型负极材料。本项目拟采用细菌纤维素这种环保低成本的生物质作为碳纤维前驱体，原位制备高性能的自支撑纳米MoS2/碳纤维复合负极材料。碳纤维可形成三维多孔导电骨架，提高材料的电子和离子传输速率；MoS2纳米结构可增大比表面积，增加储锂空间，缩短锂离子传输路径，二者发挥协同作用提高材料的比容量、倍率性能及循环稳定性。此外，由于碳纤维基电极材料具有良好的柔性，本项目将首次研制基于上述柔性复合负极材料的全固态混合超级电容器，并对器件的柔性、电化学性能和工作机理进行探索研究，最终获得高能量密度、高功率密度及长循环寿命的柔性全固态混合超级电容器。

混合超级电容器由于兼具超级电容器功率密度高和锂离子电池能量密度高的优点，在电子设备、电动汽车等领域具有巨大的应用前景。然而目前报道的大部分混合超级电容器存在倍率性能差的问题，即随着功率密度的提高，器件的能量密度急剧衰减。解决问题的关键在于研发具有优异倍率性能的新型负极材料。此外，目前国内外关于柔性全固态混合超级电容器的研究报道较少，开发自支撑的高性能柔性电极材料及对相应的全固态混合超级电容器进行研究，具有非常重要的研究意义。.本项目采用细菌纤维素这种环保低成本的生物质作为碳纤维前驱体，通过原位水热-高温退火的方法，制备了自支撑纳米MoS2/碳纤维复合负极材料。碳纤维可形成三维多孔导电骨架，提高材料的电子和离子传输速率；MoS2纳米结构可增大比表面积，增加储锂空间，缩短锂离子传输路径，二者发挥协同作用提高材料的比容量、倍率性能及循环稳定性。研究结果表明，MoS2/碳纤维复合材料具有三维多孔结构，MoS2均匀地负载在碳纤维上，负载量为70.4%。由于MoS2和碳纤维的协同作用，MoS2/碳纤维复合材料表现出较高的比容量、优异的倍率性能和循环性能：MoS2/碳纤维复合材料在0.1A/g下首次充电比容量为1064 mAh/g，1A/g下可逆比容量为581 mAh/g，1000次循环容量保持率为96%。.我们进一步制备了具有高离子电导率和良好柔性的凝胶聚合物电解质，并基于最优的纳米MoS2/碳纤维复合负极材料、凝胶聚合物电解质、碳纤维正极材料，组装了全固态混合超级电容器，并对器件的柔性、电化学性能和工作机理进行了探索研究。研究结果表明，全固态混合超级电容器具有较高的能量密度和功率密度，能量密度最高为156 Wh/kg，功率密度最高为8.3 kW/kg，并且具有良好的柔性和循环稳定性，循环2000次容量保持率为80.2%。本项目为高性能柔性可穿戴储能器件的发展奠定了理论和实验基础。