具有电化学大膨胀收缩应变效应的纳米结构金属氧化物/石墨烯复合电极及其电化学-机械驱动性能

项目名称： 具有电化学大膨胀收缩应变效应的纳米结构金属氧化物/石墨烯复合电极及其电化学-机械驱动性能

项目编号： No.21303129

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2014

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 芦露华

作者单位： 中国地质大学（武汉）

项目金额： 25万元

中文摘要： 高性能电化学-机械驱动器要求其电极具有高循环稳定性和大应变输出能力。作为当今研究热点以及具有高电化学循环稳定性的碳纳米结构电极的驱动应变输出不到1%。某些纳米结构金属氧化物作为电池电极在电化学能量存储过程中可在单一方向产生超过50%的膨胀收缩应变，该应变效应主要由离子嵌入和脱嵌过程形成导致，远高于碳纳米结构电极。本研究通过将具有电化学大膨胀收缩应变这一物理化学特性的金属氧化物与石墨烯复合，将金属氧化物的电化学膨胀收缩应变效应和石墨烯纳米结构高电化学循环稳定性有机结合，构建电化学-机械驱动器件柔性复合电极，研究电化学-机械驱动过程中电极组成、结构和离子类型等因素对电极的电化学特性和驱动行为的影响，揭示离子在金属氧化物内部的嵌入/脱嵌行为、电极组成结构和驱动行为之间的相互关系，以此指导电极组成结构和驱动性能的优化，为高性能电化学-机械驱动器件的电极设计提供新的研究思路。

中文关键词： 电化学-机械驱动；体积变化效应；金属氧化物；石墨烯；能量转化

英文摘要： A high performance electrochemical-mechanical actuator has electrode with high strain output and high cyclic stability. The widely studied nanostructured carbon electrode show strain output less than 1%, while some metal oxides with variable valency possessing large volume variation show more than 50% strain during the energy storage process as battery electrode. Such big volume variation of metal oxides is maily induced by ion insertion and extraction. The goal of this project is to fabricate macroscopic electrochemical-mechanical actuator electrode by combining graphene and metal oxide with large electrochemical induced volume variation. Study on the electrochemical and electrochemical mechanical actuation bahavior under the influence of electrode composite, structure, ionic type will be carried out to reveal the relation between ionic insertion and extraction in metal oxide, electrode structure and composition and actuation behavior. The analysis and evaluation method will be setup for typical actuation behavior of metal oxide electrodes based actuation system, which will be used for optimizing its structure and actuation performance. This research can lead to new approach for designing electrode of high performance electrochemical mechanical actuator.

英文关键词： electrochemical-mechanical actuator；volume variation effect；metal oxide；graphene；Energy conversion