超级电容材料与器件的基础研究项目摘要

超级电容是目前世界关注的课题，因其功率大、循环寿命长、高低温性能好等优于电池的特点，在电网调频，电动汽车，备用电源，激光武器等诸多领域有实际应用价值，研究意义重大。本项目将研究三氧化钼（MoO3）材料及其混合超级电容器件的性能，重点关注纳米MoO3电极材料的合成、表征及其赝电容特性，并用MoO3与活性碳（AC）材料构成混合超级电容，测试其单体器件的电化学性能，争取达到长寿命（>10K 次）、高比能量（15-30 Wh/kg）、高功率（1-2 kW/kg）的目标。关键是合成出高性能的MoO3纳米材料并探索其可调控合成方法，获得理想晶体结构和孔径结构的薄膜材料，通过碳包覆和金属离子掺杂方式，提高材料的电导率，拓宽反应电压范围，构建MoO3/AC混合超级电容体系。采用各种物理手段表征材料性能，用电化学方法检测MoO3材料和超级电容器件性能，分析材料和器件在充放电循环过程中的反应机理。

超级电容是目前世界关注的课题，因其功率大、循环寿命长、高低温性能好等优于电池的特点，在高功率激光武器、电磁炮、电网调频、电动汽车等诸多领域有实际应用价值，研究意义重大。超级电容虽然具有高功率和长循环寿命优点，但能量密度很小。提高超级电容的能量密度同时保持功率和循环特性，是本项目研究的主要内容。其中一个解决方案是采用赝电容材料作为电极材料。赝电容材料在充放电过程中发生二维法拉第反应，因此材料的克容量很高，同时倍率性能也很好，其电化学性能表现为电容行为。如何制备二维结构的赝电容电极材料，在较宽电压范围内发挥其放电容量，是研究的一个重点。本项目研究了超级电容的材料与器件，主要是金属氧化物赝电容材料（氧化钼，氧化铋，氧化钛，氧化铌等）的研究，通过二维纳米材料的设计合成，与导电碳复合与金属掺杂的结合，提高导电性，获得高容量和高倍率性能的赝电容材料。研究设计了二维结构的MoO3材料，通过溶剂剥离法实现了几个纳米厚度（2-6nm）的二维MoO3可控制备，材料表面与电解液充分接触，Li 扩散路径缩短，使容量得到充分发挥，在74 mA/g电流下，可逆容量达到1100 mAh/g，接近理论容量。同时对氧化钛，氧化铋，氧化铌等赝电容复合材料进行了实验研究，提高了材料的容量、倍率和寿命等电化学性能。赝电容金属氧化物与活性碳正负电极构建混合超级电容（a-Nb2O5//AC），表现出35Wh/kg的比能量，比功率大于2kW/kg，循环寿命达到上万次。采用各种分析手段表征材料的物理性能，用电化学方法检测金属氧化物材料和超级电容器件的性能，揭示了材料和器件在充放电循环过程中的反应机理。研究了高电压电池体系，通过添加剂抑制电解液与正极材料在高电压时的反应，延长了电池寿命。项目研究结果发表了58篇高水平论文，被引用766次，申请专利12项，培养研究生18名。项目达到了预期目标，按计划完成任务。 2100433B

新能源材料与器件考研方向

新能源材料与器件学生毕业生后，可以继续攻读材料科学与工程、材料物理与化学、材料学、可再生能源与清洁能源、动力工程、电气工程、电子科学与技术及其他交叉学科的硕士学位或博士学位。

新能源材料与器件就业方向

新能源材料与器件学生毕业生后，可以在新能源、新材料、光伏发电、储能器件、电动汽车、光电照明显示、高端装备制造等企业事业单位的技术和行政管理部门从事应用研究、产品研发、工艺与器件设计、生产技术和管理岗位工作，或在相关科研院所、高校从事科研和教学工作。