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为了满足未来对化学能源的需求,关于电化学储能器件的研究目前已经成为一个重要的课题,电极材料的选择则是电化学储能器件研究中的重点,对于兼具高能量密度和高功率密度的电极材料的需求日益增长。赝电容是指一种在材料表面或近表面发生氧化还原反应的法拉第过程,它可以在高充放电速率下提供高能量密度,近来发现,正交晶系(T-)的五氧化二铌(Nb2O5)是一种新型的插层赝电容材料,即使在高的充放电速率下,仍然可以提供接近于电池级的高比容量;然而,Nb2O5作为一种过渡金属氧化物,其本身的低导电率会限制它的高倍率性能。因此,我们尝试从两个角度来解决这个问题。首先,构造多孔炭与Nb2O5的复合材料,利用两者之间的协同作用,提高比容量并促进电子传递速率;其次,对Nb2O5纳米晶的表面化学和晶体结构进行改性,从而实现倍率性能的提升。以上方法的提出对于获得高能量-高功率密度的超级电容器,阐明储能机理具有重要的意义,本文主要结论如下:(1)基于T-Nb2O5@C空心核壳纳米结构电极的高速率不对称电容器。由于T-Nb2O5独特的正交型晶体结构,其表现出不受扩散控制的赝电容行为。然而,当被制备成相对较厚的电极时,它的低电阻率使得电子转移速率变得缓慢,从而导致了较差的倍率性能。为了解决这个问题,我们提出了一步聚合法,在分散良好的Nb2O5纳米颗粒外包覆中孔炭壳的空心结构,有利于离子扩散和电荷转移,从而获得具有高充放电速率的锂离子插层赝电容特性。此外,以制备好的Nb2O5@中孔炭(Nb2O5@MC)为负极,中孔炭空心球为正极成功构建了高性能的不对称超级电容器装置,在0.2 Ag-1时获得最大的能量密度为38 Wh kg-1,在20 Ag-1时获得最大的功率密度为32 kW kg-1,正极和负极的高速率电容性行为使得在不对称超级电容器中高能量密度和高功率密度的结合成为可能。(2)超细T-Nb2O5/G(graphene)复合材料的制备及其电化学性能。采用简单的溶剂热-热处理法制备所得的Nb2O5/G纳米材料,其T-Nb2O5的颗粒尺寸通常为20-40 nm,为了阻止颗粒的团聚,我们采用一种温和的湿法化学法来制备介孔二氧化硅(mSiO2)包覆石墨烯片层作为模板,负载Nb2O5,mSiO2不仅可以抑制石墨烯片层之间相互的堆叠,同时大量的中孔也为Nb2O5分散成为超细纳米点提供了空间,即使在高温煅烧条件下,中孔模板的限域作用避免了 Nb2O5颗粒间的团聚,实验结果表明,超细T-Nb2O5/G在1 mV s-1时的比容量较高,为652 C g-1,这是因为Nb2O5纳米点提供了较多的电活性位;同时,超细纳米点缩短了离子扩散路径,石墨烯促进了电子扩散速率,从而获得了优异的倍率性能(从1 A g-1到50 A g-1,容量保持率为58.1%)和长循环稳定性。利用mSiO2/rGO模板制备超细金属氧化物纳米点和石墨烯复合材料来改善它们的电化学性能是一种有效的方法。(3)氧空位的引入及其对T-Nb2O5的Li+插层赝电容性能改善的研究。除了利用炭的高比表面积和较好的导电性来合成Nb2O5/C复合材料之外,从T-Nb2O5本身的结构特征出发对其表面化学进行改性是另一种获得优异的电化学性能的方法。氢气还原热处理法是引入氧空位的一种简单高效的方法,T-Nb2O5在750℃下加氢反应10 min(H-Nb2O5-10)可以形成含有氧空位的材料,在1 mV s-1时,其比容量为516 C g-1,电容的增强是由于氧空位的形成产生了大量的活性位点,H-Nb2O5-10电极也具有良好的倍率性能(从0.5 Ag-1到50 Ag-1,容量保持率为48.2%)和长循环稳定性,2000次循环后容量保持率超过86%。氧空位的产生导致了供氧密度的增加和电导率的提高,从而加快了电荷转移动力学。此外,H-Nb2O5-10材料150 μm厚的电极同样表现出优异的电化学性能。氢化过程作为一种引入氧空位的方法也可以推广到其他过渡金属氧化物中以提高它们的赝电容存储性能。(4)Nb2O5和NbO2晶体中发生快速Li+插层赝电容原因的探索。基于前期研究发现,四方晶系(t-)的NbO2和四角晶系的(M-)Nb2O5的倍率性能优于T-Nb2O5。为了更好地探究其本质原因,我们制备了 T-Nb2O5、t-NbO2和M-Nb2O5单晶,通过对比这三种晶体的电化学性能,可以发现M-Nb2O5具有最高的比容量(1 mVs-1,498 C g-1),而t-NbO2和M-Nb2O5具有优异的倍率性能(从0.5 Ag-1到50 Ag-1,容量保持率分别为39.4%和37.3%)和长循环稳定性。除了晶体结构的影响,即t-NbO2和M-Nb2O5在长程范围内晶体结构更加有序,这更有利于锂离子的插层,通过DFT计算还发现锂离子在t-NbO2和M-Nb2O5晶体中的扩散能垒低于T-Nb2O5,因而锂离子在其中的插层能障更小,更容易发生赝电容储能反应。阐明了t-NbO2和M-Nb2O5具备高倍率性能的原因有利于寻找和开发新型的高倍率锂离子插层赝电容材料。