【摘 要】
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近年来,混合动力汽车、便携式电子产品和应急电源等产品在人们生活中得到了越来越多的应用,促使人们对储能设备提出了更高的要求。超级电容器因其功率密度高、循环稳定性强、充电时长短、安全系数高等诸多优点引起了研究人员的广泛兴趣。活性炭具有可灵活掺入杂原子、大的比表面积、价格低廉等特点,是目前唯一已商业化的超级电容器电极材料。然而,活性炭材料依然存在着微观形貌和孔分布不合理以及在高温煅烧时杂原子易流失等缺点
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近年来,混合动力汽车、便携式电子产品和应急电源等产品在人们生活中得到了越来越多的应用,促使人们对储能设备提出了更高的要求。超级电容器因其功率密度高、循环稳定性强、充电时长短、安全系数高等诸多优点引起了研究人员的广泛兴趣。活性炭具有可灵活掺入杂原子、大的比表面积、价格低廉等特点,是目前唯一已商业化的超级电容器电极材料。然而,活性炭材料依然存在着微观形貌和孔分布不合理以及在高温煅烧时杂原子易流失等缺点,使得材料盲孔、封闭孔较多,润湿性能差,孔道利用率低,从而导致其具有较低的能量密度以及较差的倍率性能。针对以上缺点本文主要对杂原子掺杂方式,炭材料微观形貌以及微孔比例进行了改善,并进行了如下两部分研究:以废弃的榄仁树穗状花絮为炭源,经炭化活化制备了具有花瓣状微观形貌的多孔炭纳米片(ASTC)。此外,利用生物质炭材料经高温处理后仍能保持高含氧量的特点,由ASTC低温氮掺杂制备得到了氮掺杂多孔炭材料(NASTC-350)。结果表明:相比于ASTC,NASTC-350的比表面积高达2752 m2 g-1,微孔比例由40.3%提高到了90.1%,其大小主要集中在0.6-0.8 nm范围内,接近去溶剂化离子可达尺寸;作为超级电容器电极材料,NASTC-350展现出良好的电化学性能和优良的循环稳定性。在0.5 A g-1条件下,比电容可达503 F g-1;当电流密度提高到50 Ag-1时,比电容仍能保持306 Fg-1。在100 m V/s的扫描速率下,经10000此循环后其比电容值几乎没有衰减;组装的对称电容器NASTC-350//NASTC-350在1 M Na2SO4的电解液环境下,当功率密度为492.4 W Kg-1时,能量密度高达30.5 W h Kg-1。以山梨酸钾为炭源,结合自活化和化学活化法制备了具有蜂窝状微观形貌的多孔炭材料(NAPS-1)。实验结果表明,相比于单纯的自活化法,NAPS-1比表面积从1302 m2 g-1提升至2112 m2 g-1,微孔比例从57%提升至81%,平均孔径从3.08变化到1.95 nm,NAPS-1作为超级电容器电极材料展现出良好的电化学性能和优良的倍率性能性。在0.5 A g-1条件下,比电容可达381 F g-1;当电流密度提高到20 Ag-1时,比电容仍能保持303.1 Fg-1,电容保持率达79.5%。库伦效率高达99.7%,在100 m V/s的扫描速率下,经10000此循环后其比电容值几乎没有损耗。由于山梨酸钾既作为炭源,也作为活化剂,可大大降低制备成本。此外,双重活化作用不仅使得孔道分布均匀降低了堵孔和死孔的产生,而且相比于单一的活化方法,在产生部分大孔和介孔的同时,提高了微孔比例。
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