基于生物质衍生物/石墨烯多级复合结构的柔性超级电容器

Progress of smart flexible electronics depends on the development in the flexible energy storage devices, where electrode materials and electrolyte are known as the essential elements. With the respect of designing and fabricating novel energy storage systems of high energy density, in this proposal, systematic studies will be carried out for obtaining high-performance flexible supercapacitors based on self-supported hierarchical biomass-derivative/graphene nanocomposite electrodes and solid-state polymeric electrolytes. The design of hierarchical nanocomposite electrodes coupled with control of interface, chemical compositions and microstructures will be applied to understand their internal relationships, with the purpose of achieving the hierarchical nanostructures of rapid charge/discharge and high specific capacitance. Further investigations will be concern in the polymeric gel electrolytes, for understanding the interacting rules between the polymeric matrices and ionic conductance. On the basis of the polymeric electrolytes, hierarchical nanocomposite–based flexible supercapacitors will be assembled, and thereby the energy density and stability of the as-fabricated flexible supercapacitors would be studied for understanding the matching conditions and interactions between the hierarchical nanocomposite electrodes and solid polymeric electrolyte in the energy storage performance and service life, resulting in the establishment of the optimized parameters for fabricating highly capacitive and stable flexible supercapacitors. The results in this proposal will set up a fundamental base for developing advanced flexible energy storage devices with both high energy density and power density.

灵活多样构型电子器件的进步依赖于柔性储能器件的发展，电极材料和电解质是决定柔性储能器件储能密度的重要因素。本项研究针对新型高效能量存储柔性超级电容器的设计和制备，具体开展自支撑柔性生物质衍生物/石墨烯多级纳米复合电极及全固态聚合物电解质的研究，开发高性能柔性超级电容器。开展多级纳米复合电极的设计，调控该电极的界面、化学组分和微观结构，揭示这些因素与电化学性能的内在关系，实现具有快速充放电特性高比容量多级纳米复合电极电极的制作。进一步开展聚合物凝胶电解质的研究，阐明聚合物基体与离子导电的相互作用规律。基于聚合物电解质，构建柔性超级电容器，开展柔性能器件的储能密度和工作稳定性研究，揭示多级纳米复合电极与固态聚合物电解质之间的适配与耦合关系对储能特性和服役寿命的影响，确立具有高容量及稳定工作特性柔性超级电容器的工艺参数。本项目研究结果为开发兼备高能量密度、高功率密度柔性储能器件奠定科学基础。

随着可穿戴电子器件的快速发展，柔性超级电容器作为合适的储能器件，也表现出了较大的发展潜力和应用前景。柔性超级电容器的能量密度和质量密度仍是目前广大学者关注的主要问题。本项目选用适当生物质衍生物材料作为前驱体，通过探索来制备一些列具有高导电性，结构稳定性及高比容量等电极材料。在此基础上，借助优化石墨烯的制备及石墨烯衍生材料（石墨烯膜及石墨烯气凝胶），研究衍生碳材料与石墨烯的不同复合形态，调控结构电极材料的结构、化学组成，改善界面电子与离子传输通道，制备出一些列兼具三维结构和柔性的超级电容器用电极材料。深入分析结构与电化学储能间构效关系，实现提高复合电极材料的比容量，循环寿命等性能；同时，通过优化衍生物与石墨烯组成及筛选适合的电解质体系（包括水系、有机体系以及聚合物电解质体系），证实生物质衍生物与石墨烯间的协同效应，最终获得高结构稳定、高储能特性（包括比容量，能量密度和功率密度）和长服役寿命柔性超级电容器。同时，也进一步拓展了衍生物/石墨烯复合材料在锂离子及钠离子型电容器中的应用。本项目研究结果为开发兼备结构稳定、高能量密度，高功率密度储能特性和长服役寿命的多级复合柔性超级电容器奠定了科学基础。依托本项目，共发表学术论文23篇，其中SCI收录22篇；授权专利3项；参加国内外学术会议20余人次；邀请境外专家来访1人次；培养研究生9名。