Mn(II)基氧化物电活化调控及其高电压水凝胶电解质微型超电容三维一体化设计
批准号:
51872104
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
李园园
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡作启、王保存、贺晶、陆晶晶、巴德良、黄万贵
中文摘要
水系微型超级电容器具有成本低、安全性高、功率高等优势,但如何获得高能量密度、构建高品质电极/电解质界面是两个关键挑战。本项目基于叉指微电极和CNTs阵列三维纳米集流体,提出以原位电化学活化Ni1-xMnxO为正极材料、MoO2为负极材料、PVA-锂/钠/钾盐水凝胶为电解质,设计全赝电容非对称微型超级电容器。通过电活化Ni1-xMnxO抑制水电解拓宽电位窗口来实现~2.4V器件高电压,以提高比能量(>15μWh cm-2);利用阵列电极与水凝胶电解质的三维贯通一体化来构建纳米尺度的稳定界面,以加速电荷传递。项目拟重点研究Ni1-xMnxO在三类电解质中的电活化规律、关键影响因素及机理;研究三维电极/电解质稳定界面的形成条件,揭示三维有序界面离子输运优势;建立三维微电极、电解质及两者一体化界面结构与器件性能的构效关系,阐明性能增强机制。本项目为高能量和高安全微型超电容的设计提供了全新思路。
英文摘要
Aqueous microsupercapacitors have great advantages of low cost, high safety and high power density. Nevertheless, two key challenges still remain in obtaining high energy density and forming high-quality electrode/electrolyte interfaces. In this proposal, based on interdigitated microelectrode patterns and three-dimensional (3D) CNTs array nano-current collectors, we propose to design novel microsupercapacitors by using in-situ activated Ni1-xMnxO as the positive electrode material, MoO2 as the negative electrode material and PVA-Li, Na or K salts hydrogel as the electrolyte. In such a design, the electro-activation of Ni1-xMnxO is utilized to widen the working potential window of positive electrode, thus leading to high device voltage of ~2.4 V and high energy density of >15 μWh cm-2; and the three-dimensionally penetration and integration of electrode and hydrogel electrolyte could establish highly stable interfacial contact at the nanoscale, promoting the interfacial charge transfer. This proposal will specifically focuses on the electro-activation features, influencing factors and mechanism of Ni1-xMnxO electrode in three different kinds of electrolytes, and the key factors for the formation of stable 3D electrode/electrolyte interface as well as the unique merits of ion transport via the 3D ordered interfaces. The “structure-property” relationship between the 3D micro-electrodes, hydrogel electrolyte, the integrated interfacial architecture and the device’s performance will also be studied in detail. Our proposal provides a new concept of developing high-energy and high-safety microsupercapacitors.
与有机电解液的微型超级电容器相比,水系微型超级电容器具有安全性高、成本低廉、功率密度大等优势,构建高品质电极/电解质界面、实现器件的高比能是当前该领域的研究热点,但存在极大挑战。本项目利用三维纳米集流体优势,将原位电化学活化的Ni1-xMnxO微型正极与直接沉积的MoO2等微型负极结合,设计构筑了新型全赝电容非对称微型超级电容器。通过XPS、XRD、EIS等连续监测电极材料在充放电过程中的结构演化与电化学动力学演变,系统地研究了Ni1-xMnxO正极的原位电活化规律、关键影响因素与活化机制,揭示了Ni1-xMnxO活化转变为具有更宽电位窗口的尖晶石氧化物MnNi2O4的现象,并阐明了镍离子含量与纳米碳层包覆对微型正极电化学性能的影响及其储能构效关系;制备了多类水凝胶电解质如PVA-NaClO4和PVA-LiCl等,实现了与阵列化微型正负极结构的三维一体化,构建了三维有序界面的离子输运,获得了纳米尺度界面稳定性和增强的界面电荷传输能力。项目通过协同优化碳/金属基三维集流体、水凝胶电解质与微型正负极,构建电极/电解质高品质三维界面,实现了微型超电容2.4 V及以上的高电压,并充分利用了全赝电容正负极的高比容量特性,促使器件最高比能量达到126.67 μWh cm-2,循环稳定性大于5000圈,综合性能优于已报道的诸多微型电化学储能体系。本项目的实施为高电压、高比能和高安全微型超电容的设计提供了有益参考,对发展其他高性能水凝胶电解质微型电化学储能器件亦具有十分重要的科学意义。
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A directly grown pristine Cu-CAT metal-organic framework as an anode material for high-energy sodium-ion capacitors
直接生长的原始 Cu-CAT 金属有机骨架作为高能钠离子电容器的阳极材料
DOI:
10.1039/c9cc06048k
发表时间:
2019
期刊:
Chemical Communications
影响因子:
4.9
作者:
[Zhou Wan, Lv Si, Liu Xiaolin, Li Yuanyuan, Liu Jinping]
通讯作者:
Liu Jinping
Surface and Interface Engineering of Nanoarrays toward Advanced Electrodes and Electrochemical Energy Storage Devices
面向先进电极和电化学储能器件的纳米阵列的表面和界面工程
DOI:
10.1002/adma.202004959
发表时间:
2021-02-22
期刊:
ADVANCED MATERIALS
影响因子:
29.4
作者:
[Li, Linpo, Liu, Wenyi, Liu, Jinping]
通讯作者:
Liu, Jinping
Electrolyte Concentration Regulation Boosting Zinc Storage Stability of High-Capacity K(0.486)V(2)O(5) Cathode for Bendable Quasi-Solid-State Zinc Ion Batteries.
电解质浓度调节提高可弯曲准固态锌离子电池高容量K0.486V2O5正极的锌存储稳定性
DOI:
10.1007/s40820-020-00554-7
发表时间:
2021-01-04
期刊:
Nano-micro letters
影响因子:
26.6
作者:
[Li L, Liu S, Liu W, Ba D, Liu W, Gui Q, Chen Y, Hu Z, Li Y, Liu J]
通讯作者:
Liu J
A novel synthesis towards a vanadium pentoxide porous nanodisk film as a cathode material for advanced Li-ion hybrid capacitors
作为先进锂离子混合电容器阴极材料的五氧化二钒多孔纳米盘薄膜的新合成
DOI:
10.1039/c9cc06958e
发表时间:
2020
期刊:
Chemical Communications
影响因子:
4.9
作者:
[Liu Xiaolin, Jiang Yuqi, Ba Deliang, Zhou Wan, Li Yuanyuan, Liu Jinping]
通讯作者:
Liu Jinping
DOI:
10.3866/pku.whxb202007075
发表时间:
2021
期刊:
物理化学学报
影响因子:
作者:
[陈瑶, 董浩洋, 李园园, 刘金平]
通讯作者:
刘金平
共 19 条
H3K64甲基化在卵母细胞发育中的功能和机制研究
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批准号:82301867
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2023
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负责人:李园园
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依托单位:
高容量低电位水系嵌镁负极与宽温域镁离子电池/电容器
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:李园园
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依托单位:
高比能水系钠离子电容器结构-电解质协同设计、储钠机理与功能化
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:李园园
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依托单位:
高比能水系钠离子电容器结构-电解质协同设计、储钠机理与功能化
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批准号:52072136
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项目类别:面上项目
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资助金额:58.0万元
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批准年份:2020
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负责人:李园园
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依托单位:
新型BiOBr-BiOI/TiO2纳米异质有序阵列的生长调控与光电性能研究
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批准号:11104088
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2011
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负责人:李园园
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依托单位:
国内基金
海外基金