摘要
超级电容器(SCs)因其充放速率快、循环寿命长、功率密度高等优点，在电化学储能器件领域引起了广泛的关注。SCs的储能性能很大程度上取决于电极材料。但SCs自身有一个显著的缺陷是能量密度较低，因此，如何在保持其功率密度高的同时又能提高能量密度仍然是一个挑战。碳材料广泛的应用于SCs的电极材料，由于其具有优异的导电性，比表面积大，孔径可调控，表面易于修饰等优点在能量存储和转化方面具有重要的意义。本文以提高SCs的能量密度为目标，设计合成具有优异储能的多孔碳及其复合材料。通过杂原子掺杂，孔结构调控和赝电容材料复合等措施，对其进行优化设计。具体研究内容如下: 1.从实际应用角度出发，因现在工业生产活性炭均以物理活化法生产为主，物理活化法制备的活性炭比表面积低，孔径分布以微孔为主。其用于SCs的电极能量密度低，不能满足发展的需求。因此采取与传统物理活化法不同的方法合成活性炭。以新疆哈密的原煤为前驱体，通过一步热解处理，合成了氮氧共掺杂煤衍生活性炭(N/O-DMCC)。得到的N/O-DMCC具有高表面积、多孔结构以及丰富的杂原子掺杂含量。以哈密原煤为前驱体，采用物理活化法工业生产的活性炭作为SCs电极材料，比电容仅为120Fg-1(0.2Ag-1)。而我们化学活化法合成的N/O-DMCC的比电容高达376.5Fg-1(0.2Ag-1),这远远优于商用SCs的性能。基于N/O-DMCC电极组装对称SCs在500Wkg-1的功率密度下实现了23.1Whkg-1的高能量密度，这证明了煤衍生碳材料在储能器件方面的应用潜力。 2.提出了一种简便的双模板法制备氮/氧共掺杂三维网状分层多孔石墨烯(N-TRPG-800)。通过双原子掺杂提供了更多的活性位点，贡献额外的赝电容，改善电荷存储。利用石墨氮化碳(g-C3N4)作为自牺牲模板，构建三维网状分层结构，有效解决石墨烯层堆积的问题。通过热解生成的金属锌纳米颗粒(ZnNPs)作为第二阶段自牺牲模板，生成大量微孔和介孔结构。制备的N-TRPG-800电极在0.2Ag-1时具有471Fg-1的优异比电容，接近于石墨烯的550Fg-1的理论电容。此外，以N-TRPG-800为电极组装对称的SCs1秒钟的放电时间，功率密度可达40kWkg-1，优于目前报道文献报道中最高功率密度。这些结果不仅证明了本工作所开发的合成方法的可行性，而且表明了制备的N-TRPG-800在高功率SCs中的应用潜力。 3.以石墨烯为导电网络，原位引入氮化钒(VN)均匀负载于氮掺杂多孔石墨烯(VN/graphene),可以暴露更多的活性位，贡献更高的赝电容。以氮掺杂多孔石墨烯作为碳骨架即解决了VN颗粒团聚的问题，同时又能提供优异的导电性，这能提供更大的表面积和电解液离子扩散和传输的通道。将VN/graphene作为水系锌离子混合超级电容器正极材料，通过选择合适的电压窗口，拓宽工作电压窗口1.6V,实现了非常高的可逆电容(523mAhg-1,0.2Ag-1）和优异的倍率性能。这为设计高能量、功率密度的锌离子混合超级电容器电极材料开辟了一条新的有效途径。
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