超級電容器用Nb2O5微結構調控及其嵌入型贗電容的研究

超級電容器用Nb2O5微結構調控及其嵌入型贗電容的研究

《超級電容器用Nb2O5微結構調控及其嵌入型贗電容的研究》是依託南京航空航天大學,由申來法擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:超級電容器用Nb2O5微結構調控及其嵌入型贗電容的研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:申來法
  • 依託單位:南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

由於超級電容器的電極材料是依賴於發生在界面的吸脫附或氧化還原反應來儲存能量的,導致超級電容器的能量密度較低,是亟待解決的難題。本項目擬研究一種新穎的嵌入型贗電容,突破了限制在界面的有限電容行為,極大提高超級電容器的能量密度。擬通過對Nb2O5的結構控制、構築新型Nb2O5/碳納米複合和異質結複合材料、調控Nb2O5結構缺陷等策略來改善離子、電子傳輸速率,提高Nb2O5的電化學性能。利用原位表征手段和電化學測試技術,系統深入地研究改性或複合後Nb2O5的形貌、結構、結晶性等與導電性及嵌入型贗電容電化學行為之間的相互作用關係,揭示嵌入型贗電容的特性及調控規律,為發展和改進嵌入型贗電容電極材料提供深層次的理論指導。基於以上研究成果,進一步設計並構建Nb2O5//石墨烯有機體系非對稱超級電容器,闡明該類型非對稱超級電容器的工作機理,為設計高性能超級電容器提供重要的理論和科學依據。

結題摘要

針對超級電容器能量密度較低的技術瓶頸, 本項目研究基於Nb2O5的離子嵌入型贗電容,極大提升超級電容器的能量密度。Bruce Dunn等人提出T-Nb2O5的嵌入型贗電容具有優異的動力學行為,同時P. Ganesh等人通過DFT理論計算發現T-Nb2O5的擴散能壘非常低,近乎離子導體,因此T-Nb2O5是一種非常有潛力的贗電容負極材料。但是,不同合成方法製備的材料結晶性和結構可能存在巨大差異,提高結晶性有利於增強材料的電子傳導,結晶度過高也會限制晶格內離子擴散,進而限制電化學活性區域深度。材料微結構化有利於增加活性界面,但界面過度開放也會導致結構穩定性下降。Nb2O5的嵌入型贗電容行為與傳統金屬氧化物發生在表面或近表面的法拉第贗電容不一樣,電極材料的結晶性、納微結構以及比表面積對嵌入型贗電容的影響規律尚不清楚。同時,Nb2O5自身的缺點也不容忽視,差的本徵電子導電性(~3×10−6 S cm−1)是限制Nb2O5基鋰離子電容器功率密度和循環穩定性的主要原因。 因此,本項目具體研究內容如下:利用各種結構、成分表征和電化學測試技術,深入研究Nb2O5的形貌、結構、結晶性等與導電性及嵌入型贗電容電化學行為之間的相互作用關係,並闡明相關作用機理,為調控和最佳化嵌入型贗電容電極材料提供深層次的理論指導;通過對 Nb2O5 的微觀結構控制、製備 Nb2O5/碳納米複合材料等策略改善電子導電率,然後同時實現高電子/離子電導,從而獲得高性能Nb2O5負極材料;設計並構建Nb2O5//AC有機體系鋰離子電容器,通過電極結構設計和正負極匹配關係最大限度提升器件的電化學性能,能量密度和功率密度分別為66.6 W h kg−1和17.5 kW kg−1,以及在2 A g−1電流密度下循環20000圈後能量密度保持率仍有88.6%。

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