五氧化二钒/石墨烯复合气凝胶混合超级电容器电极材料的制备与性能研究

With the rapid economic and social development, energy shortage is becoming more and more serious, so it is badly in need of new high-performance energy storage devices. Electrochemical capacitor is a kind of novel electrochemical energy storage devices because of its high specific capacitance, high power density and long cycle life. Hybrid supercapacitor combines the high energy density of battery and high power density and long cycle life of elctrochemical capacitor,which makes it has broad application prospects. V2O5 powder and graphene are uniformly mixed through in situ growth of V2O5 nanofible via a simple sol-gel method. During the process of V2O5 aerogel ading, graphene grows along with the V2O5 aerogel skeleton structure and consequently uniformly disperses. Then the structure stable, high specific area, light, high specific capacitance, high power density and long cycle life VOx/graphene aerogel for electrochemical capacitor is obtained by simple solvent replacement and ambient pressure drying. The project focus on interaction between V2O5 and graphene, interfacial effect between composite aerogel and electrolyte and electronic transport mechanism in active materials. Through the research of synergistic effect of double layer capacitance and pseudocapacitance and relation between the change of materials' structure and capacitor's cycle life, the project can lay the foundation for the research and development of high-performance electrochemical capacitor electrode material.

随着经济社会飞速发展，能源短缺问题日益严重，清洁可再生能源使用日益增多，急需新型的高性能储能器件。超级电容器由于比电容大、功率密度高和循环性能好已成为新型的电化学储能器件，混合超级电容器结合了电池高能量密度和超级电容器高功率密度和使用寿命长的综合优势，具有广泛的应用前景。本项目创新性的以V2O5粉末和石墨烯为原材料，利用溶胶-凝胶技术控制V2O5气凝胶纳米网络结构生长，实现石墨烯以纳米多孔V2O5骨架结构为模板原位生长、均匀分散，采用溶剂替换和常压干燥研制出结构稳定、重量轻、比表面积大、比电容高、功率密度大、能量密度高、循环寿命长的纳米多孔V2O5/石墨烯复合气凝胶电极材料；系统研究V2O5和石墨烯的相互作用及界面效应、复合气凝胶中离子电子传输机制、复合电极材料储能的协同作用机理、充放电循环过程中材料性能演变及与循环寿命的关系，为研制和开发新型高性能超级电容器电极材料奠定实验和理论基础。

本项目围绕研制具有高功率密度和能量密度超级电容器电极材料的关键问题，深入研究了V2O5基电极材料的纳米化制备、复合掺杂的控制方法及其生长机理，并系统研究了V2O5基电极材料超级电容器电化学行为、储能机理和影响机制。结合石墨烯及其相关碳结构表面的调控，成功制备了三维多孔网络结构V2O5/石墨烯复合、V2O5包覆多壁碳纳米管、氮掺杂碳纤维复合V2O5等多类气凝胶，比电容量为625F/g，能量密度达到86.8 Wh/kg，充放电循环20000次之后比电容仍保持在初始比电容的120%。提出了梯度氧空位分布增强V2O5电荷转移动力学机制解释梯度氧空位和核壳结构的协同作用引起充放电过程中氧空位迁移和电容性能提升的理论，并结合理论和实验提出了核壳异质结构汇总离子和电子的传输机制。以VN纳米片阵列为负极，过渡金属氢氧化物为正极，构建了柔性全固态非对称超级电容器，工作电压范围为1~1.6 V，在400 W kg-1的功率密度下，能量密度达到了75 W h kg-1。.结合本项目的研究，我们开发了一套真空气相包覆设备，提出了一种快速制备核壳纳米结构电极材料的通用新技术；构建了第一性原理计算方法及计算平台，拓展了理论研究范围；通过V2O5基超级电容器电极材料的研究开拓了以过渡金属硫化物为骨架构建核壳异质结构电极材料作为储能材料的研究新领域。通过本项目研究，培养了中青年学术骨干3名，博士生7名，硕士生10名。形成了一支青年学术人才队伍，副教授4名，获得晨光计划1人，同济大学英才计划4人，锻炼和提升了青年教师。结合本项目研究，在Advanced Materials、Journal of Materials Chemistry A、Carbon、Solar Energy Materials and Solar Cells等国际著名期刊上发表SCI收录论文30篇，其中ESI高被引2篇、授权了国家发明专利4项。在此项目研究基础上，申请获批了以纳米多孔WO3基气致变色材料及智能节能窗、纳米结构氧化钒基锂电池及超级电容器电极材料为研究对象的国家重点研发计划“纳米科技”重点专项1项、国家自然科学基金委-新疆联合基金重点项目1项、国家自然科学基金面上项目1项、企业合作项目1项。