[01109834]新型过渡金属基负极纳米材料的设计合成与应用基础研究

研发出新型的可再生清洁能源以及相应的能量储存和转换装置,提高能源的利用率,是本世纪重要的研究课题之一。非对称超级电容器,又叫混合型超级电容器,是一种性能介于电池与传统超级电容器之间的新型、高效、实用的能量存储装置,具有能量密度高、功率密度大、使用寿命长、使用温度窗口宽、维护成本低等优点,是目前世界公认的化学电源的重要发展方向。近几年来,非对称超级电容器的电极材料的发展十分迅速,但负极材料的研究相比于正极材料来说有明显的滞后,所以目前非对称超级电容器的容量和能量密度都主要受限于负极材料。碳材料如活性碳、碳纳米管、石墨烯等由于比表面积高、导电性优异和功率密度高在非对称超级电容器中被广泛用作负极材料。然而,碳材料较小的比电容严重制约着非对称超级电容器的能量密度的进一步提高。负极材料是目前发展超高性能非对称超级电容器的瓶颈。 与碳材料相比,一些过渡金属氧（氢氧）化物如铁基（Fe2O3、Fe3O4、FeOOH）和钼基（MoO3、MoO3-x）不但具有较高的电容性能和合适的负电位工作区间,而且资源丰富（如铁元素在地壳中含量排名第4,约占5.8%）、价格低廉、环境友好,是极具发展潜力的高性能负极材料。然而,由于这些过渡金属基负极材料的弱电导性（10-5～10-14 S/cm）,导致它们的倍率性能、能量密度及功率密度偏低和稳定性较差,严重制约着它们在高性能非对称性超级电容器中的广泛应用。为了改善这些过渡金属氧化物负极材料的导电性、电容性能及循环稳定性,科研工作者做了大量的探索。目前最常用的方法将各种具有高比表面积的过渡金属基负极纳米材料与导电性好的材料如碳纳米管、石墨烯进行复合形成复合材料。尽管近年来过渡金属基负极材料的电容性能得到了较大的提升,但过渡金属基负极材料在完整非对称超电容器件的应用研究报道仍然较少。因此,开发具有高容量、高功率和高稳定的新型过渡金属基负极纳米材料具有重大意义,是未来储能体系重要的发展方向。 本项目系统的探索了高性能过渡金属基负极纳米材料大面积可控生长方法学,揭示材料结构与性能的关系及其变化规律,以及研制基于过渡金属基负极材料的高性能、实用型非对称超级电容器及其它新型储能器件。主要是针对钒基、铁基、钼基等过渡金属氧化物负极材料和铋基、锌基金属负极材料的设计与合成进行系统的研究,并通过纳米结构优化、离子掺杂、缺陷调控和表界面设计等策略,构筑具有比面积大、导电性高、电容性能优越及循环稳定性高的过渡金属基负极纳米材料。结合多种结构、成分表征和电化学测试等手段,系统深入地研究过渡金属基负极纳米材料的形貌、结构、成分、缺陷等与导电性及电化学性能的相互作用关系,并阐明相关机理,实现高效、稳定储能材料的理性设计与低成本可控合成。并以所制备的过渡金属基纳米材料作为负极组装和研制液态及准固态非对称超级电容器和其他新型储能器件（镍锌电池、锌锰电池、锌空电池等）,研究正负极材料和电解液对器件储能性能的影响,总结和归纳构效关系。 相关研究成果已发表SCI收录论文47篇（包括Adv. Mater. 8篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、Adv. Energy. Mater. 1篇、Adv. Funct. Mater. 4篇、ACS Energy. Lett. 1篇和Chem. Sci. 2篇）和申请中国发明专利9项,其中授权1项。 社会经济效益,存在的问题：本项目有望在我省新材料、新能源领域形成新的产业方向,为我省相关产业建立完善的生产线提供技术支持,为产业的发展提供有力的技术支撑,提升其竞争力,提高我省新能源领域的产品水平。同时,还扩大储能行业及其相关行业的就业市场,具有良好的社会效益。但本项目目前还处于实验室基础研究阶段。 历年获奖情况：2016年2月获得广东省自然科学奖一等奖