铁金属氧化物在离子液体中赝电容行为与储能机制的基础研究

It is known that pseudocapacitance is commonly associated with surface or near-surface reversible redox reactions, as observed with transition metal oxides/hydroxides in aqueous electrolytes. Recently, we have identified a pseudocapacitive behavior of Fe2O3 occurred in an ionic liquid (IL) electrolyte. In this project, we will firstly study the intrinsic structures of iron oxides and ionic liquids, and mainly focus on the inherent correlations among the intrinsic structure and properties of ionic liquids and the pseudo-capacitive behaviors of different iron oxides. Through our works, we will reveal the formation and influencing mechanisms and the matching rule of pseudo-capacitance for iron oxides in ionic liquids, and screen out the best iron oxide with excellent pseudo-capacitive properties and its matched ionic liquid. On this basis, in order to further improve pseudo-capacitive properties of this iron oxide in its matched ionic liquid, we will prepare nano-iron oxide/graphene composite material with high specific capacitance, excellent rate capability and good cycling stability. Subsequently, we will build advanced asymmetric supercapacitors using as-prepared nano-iron oxide/graphene composite material and superior porous nanocarbon material with ultra-high specific capacitance as two electrodes and the matched ionic liquid as the electrolyte, where the pseudo-capacitance and the electric double-layer capacitance are able to well take place at the same time. Consequently, the advanced asymmetric supercapacitor with superior energy density can be achieved.

本项目将从铁氧化物和离子液体的本征结构入手，系统研究不同铁氧化物在不同离子液体中的电化学电容行为，重点考察离子液体的本征结构和性质与不同结构铁氧化物的赝电容行为之间的内在关系，从微观层面揭示铁氧化物–离子液体体系的赝电容形成机理、影响机制及匹配规律，筛选出电容性能最佳的铁氧化物–离子液体体系；在此基础上，针对目前超级电容器能量密度较低的问题，提出“铁氧化物–多孔炭–离子液体”不对称超级电容器体系的设计构想，制备出高容量、倍率特性和循环性能优异的纳米铁氧化物/石墨烯复合电极材料，并与高容量的纳米多孔炭电极材料科学复配，充分发挥二者在共同匹配的离子液体电解液中的赝电容和双电层储能效用，从而设计和构建出具有高能量密度的“纳米铁氧化物/石墨烯–纳米多孔炭–离子液体”不对称超级电容器。

本项目从铁锰氧化物、多孔活性炭、离子液体和水系浓盐电解质的本征结构入手，系统研究了各电极材料在不同电解液中的电化学行为，从微观层面揭示了它们的电容形成机理、影响机制及匹配规律，设计和构筑出了高性能超级电容器器件。取得主要结果如下：.（1）制备出了一系列铁锰氧化物纳米点@石墨烯复合材料，所得氧化物纳米点的尺寸在5nm之内，且均匀地锚合在石墨烯表面。这种独特的结构明显缩短了离子扩散/电子转移路径，并且能够缓冲循环过程中的体积变形。所得复合材料在水系和离子液体电解液中具有优异的电容性能和良好的循环稳定性，且在不同电解液或不同电位区间下具有不同的储能机制。该材料基不对称电容器的能量密度和功率密度分别高达124.4Wh/kg和29.9kW/kg。 .（2）通过二氧化硅接枝离子液体的手段，分别研究了阴阳离子本征结构对多孔活性炭电容特性的影响机制，并对储能机理进行了详细的解释。采用二氧化硅接枝离子液体作为添加剂来调节电解组分，把超级电容器的电位窗口从2.8V拓宽至3.2V，相应能量密度提升了40%。.（3）制备出了一系列水系浓盐混合电解液，研究了不同结构和分子量的常用有机溶剂对WIS电解液的粘度、电导率、工作电压窗口等性能的作用机制，优化出了具有不可燃性、高电导率和宽窗口的最佳电解液配方。所得6m LiTFSI/H2O/ACN3.5电解液表现出了2.4V的宽电位窗口、高离子电导率和绝对的不可燃性。所得APDC//LiTFSI/H2O/(EMIMTFSI)2//APDC电容器的电位窗口高达2.7V，能量密度达78Wh/kg。.（4）在该项目经费资助下，还制备出了一系列具有快速储锂/钠/钾动力学行为的金属离子电池负极材料和高比容量的电容型活性炭正极材料，设计和构筑出了一系列兼具高能量密度（最高174Wh/kg）和高功率密度（最高达25kW/kg）且长循环寿命（1.5万次循环后容量几乎无衰减）的锂/钠/钾离子混合电容器。. 本项目的研究结果为下一代高性能超级电容器的研发提供了可靠的科学依据和理论指导，所得的电极材料及产品技术水平接近国际领先水平，有望满足相关军事和民用领域对高性能储能器件的技术要求。