基于类石墨烯MXene负极材料的高比能钠离子超级电容器的研究

As a novel energy-storage device, supercapacitors boast much higher charge-storage capacity than conventional dielectric capacitors and better charge-discharge rate, efficiency and safety than batteries, which has attracted global attention. Electrode materials are the crucial component in supercapacitors, and thus are the key factor that governs the performance of supercapacitors. MXenes are novel two-dimensional transitional metal carbides or carbonitrides with graphene-like structure. Due to their high conductivity and specific capacity, MXenes are promising candidate for negative electrode materials in sodium ion supercapacitors. The target of this project is to enhance the energy density of supercapacitors by constructing a novel assymetric supercapacitor based on the insertion reaction of sodium ions. The positive electrode is sodium ion-inserted layered manganese dioxide while the negative electrode is MXene. Hydrothermal and sol-gel methods are adopted to prepare composite electrode materials of layered manganese dioxide/carbon; ion doping is planned to increase the conductivity and structural stability of layered manganese dioxide and optimize its rate capability and cycle life. The research of this project will help to obtain the key technology of novel supercapacitors with high energy density, power density and long cycle life, which may offer guidelines for future development of high-performance supercapacitors.

超级电容器，作为一种新型的储能器件，电荷存储能力远高于常规物理电容器，充放电速度、效率和安全性又优于蓄电池，受到了人们的广泛关注。电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器性能的关键因素。MXene是一种类似石墨烯结构的新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物，具有高的导电性和比容量，有望成为一种性能十分优越的钠离子超级电容器负极材料。本项目为提高超级电容器的能量密度，拟构建一种基于钠离子嵌入反应的新型非对称型超级电容器，正极采用含钠离子的层状二氧化锰，负极材料为MXene材料。并通过采用水热以及溶胶-凝胶法，制备层状二氧化锰/碳复合电极材料；采用离子占位掺杂，提高层状二氧化锰导电率和结构稳定性，实现其倍率特性和循环寿命的最优化。通过本项目的研究，以期获得具有高能量密度、功率密度和长寿命的新型超级电容器关键技术，为开发出高性能的超级电容器提供理论指导。

超级电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高、循环寿命长、充电时间短、使用温度范围宽等优势，在电动汽车、新能源发电、轨道交通、国防军工、航空航天等领域具有广泛的应用前景。但是，能量密度偏低限制了超级电容器的发展。电极材料作为超级电容器的核心组成部分直接影响器件的性能。本项目围绕由新型二维材料MXene的宏量制备、MXenes复合材料和金属氧化物复合材料的可控合成以及高比能超级电容器的构建等方面开展了一系列工作并取得重要进展。本项目采用自蔓延高温合成技术，通过精准调节钛、碳和铝的比例实现了高纯度Ti3AlC2的批量化制备，并利用氢氟酸刻蚀制备“手风琴”状Ti3C2Tx（MXenes）。然后采用有机碱插层Ti3C2Tx得到单层或少层MXene纳米片分散液，并与碳纳米管液混合后抽滤成自支撑膜，组装成非对称型超级电容器基于电极材料的能量密度达到67Wh/kg。此外，将Ti3C2Tx分散液与石墨烯进行液相混合并冷冻干燥，利用电荷调控实现两种二维材料面对面静电吸附后高温退火形成Ti3C2Tx/还原石墨烯异质结构，组装成非对称型超级电容器基于电极材料的能量密度高达147Wh/kg。本项目还开展了一系列工作以拓宽超级电容器电极材料的选择范围。如Fe3O4/石墨烯复合材料在100mA/g下具有820mAh/g的高比容量，组装成非对称型超级电容器基于电极材料的能量密度到达120Wh/kg。制备出基于SiOx/石墨复合材料的软包装非对称型超级电容器，基于软包器件的体积能量密度达到50Wh/L和功率密度达到10kW/L，循环1300次后容量保持率为95%，循环10000次容量保持率80%以上。本项目为开发高比能超级电容器具有重要的指导意义和参考价值。目前已发表标注项目资助号的高水平论文22篇，申请国家发明专利4项，其中授权2项。