异质多壳层金属硫化物超级电容器材料的结构调控及性能研究

Increased along with the people environmental protection consciousness, demand for green energy storage devices are increasingly demanding. Supercapacitor makes up for a lack of low capacity, low power density and short cycle life of traditional capacitor and battery, is considered to be a new generation of green energy storage devices. At present, both high energy density and high power output requirements, hindered the practical application of super capacitor. This project choose lightweight flexible carbon film materials (CF) as an integrated current-collector substrate material, by building on the surface of CF - CuS @ MxSy (M = Ni, Co, Mo) heterogeneous shell metal sulfide structured array to improve and enhance the composite electrode materials of electrochemical energy storage performance. CuS, due to soft, tough and conductivity is good choice for the inner of the multi-shell structure. The selected outer-shell array of material has higher capacity and unique structural characteristics, they can react with electrolyte ions, and the reaction are contributing to charge storage, at the same time the synergies between them has a close relationship, and complement each other. This project first proposed heterogeneous electrode materials of the shell metal sulfide array structure design and structure-activity relationship research, we believe that with the thorough system study, will achieve more excellent performance and novel structure supercapacitor.

随着人们环保意识的日益增加，对绿色能源存储设备的要求也日益苛刻。超级电容器弥补了传统电容器和电池的容量低、功率密度小、循环寿命短等缺陷，被认为是新一代绿色储能设备。目前，兼具高能量密度和高功率输出的要求，阻碍了超级电容器的实际应用。本项目选用轻质柔性碳薄膜材料(CF)作为一体化集流体基底材料，通过在其表面构建CF-CuS@MxSy (M = Ni, Co, Mo)异质多壳层金属硫化物结构化阵列来改善和提高复合电极材料的电化学储能性能。CuS由于质软而韧以及导电性优良首选为多壳层结构的内层。选用的多壳层阵列材料都具有较高容量和独特结构特性，它们可分别与电解液中的阴阳离子反应，且该反应均对电荷存储做出贡献，同时不同材料之间还有着密切的协同效应关系，并互相补充各自的不足。本项目提出异质多壳层金属硫化物阵列结构电极材料的设计及构效关系研究，将实现更多的性能优异、结构新颖的超级电容器得以广泛应用。

过渡金属氧化物由于具有超高的理论比电容并且资源丰富，目前来看是最有发展前景的电极材料。然而它们的导电性较差，导致实际的比电容远低于它们的理论值。过渡金属硫化物相对于其氧化物具有较高的电导率，同时也具有很高的电化学活性，所以也非常适合作为超级电容器电极材料。然而活性位点有限、反应动力学过程较为缓慢等问题使其倍率性能、实际比电容值、循环稳定性等电化学性能较差，仍需要进一步改善。针对以上问题，本项目从构建核壳结构的复合电极材料和元素掺杂两个角度出发来制备高性能金属硫/氧化物电极材料。. 为了提高镍钴硫化物的比电容值和稳定性，采用一步回流法通过简单、精确地控制CNT的含量，成功地合成了项链状的NiCo2S4/CNT复合电极材料。该电极材料主要由CNT穿过大小均一的NiCo2S4颗粒组成。复合结构和集成电极结构赋予其更多的电活性位点，电子高速传输路径和与电解质的大面积接触。该复合电极在CNT含量为10 mg的时候，最大比电容可达2210 F g-1，表现出良好的导电性、倍率性能和循环稳定性。. 接着本项目研究CuS@CNT复合材料的制备及其在超级电容器中的应用。先在CNT周围生长一层二氧化硅，有利于CuS 沿CNT纵轴垂直生长，最后加入硫化钠，既提供硫源，同时又能去除二氧化硅。改变水热反应时间，实现了通过工艺简单的两步水热合成法在 CNT外围均匀生长一层CuS纳米针。把合成的CuS@CNT复合纳米材料用于超级电容器中，在1 A g-1的电流密度下，比电容高达566.4 F g-1。. 本项目还研究了静电纺丝法制备多孔MnMoO4纳米管应用于非对称超级电容器。通过简单的静电纺丝和后续退火处理得到了直径约120 nm的多孔MnMoO4纳米管。由于其独特的一维多孔空心结构，该电极材料展现出高比容量，优异的倍率性能和循环性能。在电流密度1 A g-1下，比电容高达620 F g-1，循环10000圈后，几乎没有明显的容量衰减。而且，组装的MnMoO4//AC 非对称超级电容器在797 W Kg-1的功率密度下具有31.7 Wh kg-1的较高能量密度。