摘要
超级电容器是一种具有快速充放电能力、超长循环寿命、绿色环保等优点的新型储能装置。其中，电极作为超级电容器的核心组成部分，制约着超级电容器的性能。因此研发卓越电化学性能的新型电极材料，对于超级电容器的发展具有重要意义。 生物质材料储量丰富、含碳量高、价廉易得，是超级电容器电极的理想材料。此外，生物质材料中还含有能够产生赝电容的氮、氧、磷等杂原子，从而能够提高材料的总比电容。本文以淀粉这一高含氧量生物质原料，采用硫酸碳化法在较低温度下得到了富O碳材料。同时，将该富O碳材料与其它材料进行复合，组装了多种新型超级电容器，并表现出良好的电化学性能。具体研究内容如下： 1.以淀粉为碳源，采用浓H2SO4进行碳化，在相对较低的温度下（100℃），制备了一种富含O且石墨化程度较高（拉曼光谱ID/IG=0.75）的碳材料（OSC）。在此基础上，我们选择双氰胺作为氮源，通过气相沉积法，在OSC的表面上生长出N掺杂的碳纳米管。由此，制备了富含O、N的碳材料（命名为NOSC）。当电流密度达到1Ag-1时，NOSC电极具有759Fg-1的比电容。在进行10000次的循环后，仍保留了95.8%的电容。组装成全固态对称超级电容器时（SSC），可达到1.8V的宽电压窗，同时该SSC的比电容为91Fg-1，当能量密度为41.12Whkg-1时，功率密度为449.95Wkg-1。 2.采用一种简单水热法将富O碳材料OSC与金属氧化物SnO2进行复合，得到SnO2/OSC复合材料。OSC可有效地防止SnO2颗粒的聚集，保证结构的稳定性，从而更好地促进电子的传输。通过优化二者的配比，其中SOSC-2电极表现了最佳的电化学性能。当电流密度达到1Ag-1时，该复合材料表现出了689Fg-1的比电容值。经10000次充放电之后，表现出优异的循环性能，电容的损失量仅为2.2%。制备成全固态对称超级电容器，能够达到2V的宽电压窗，当能量密度为43.47Whkg-1时，功率密度为500Wkg-1。 3.对OSC进一步的混酸氧化以得到更薄更小尺寸的富氧碳颗粒HOSC。优化了氧化条件得到了电性能最佳的HOSC-85，将其与氧化石墨烯（GO）复合，采用真空抽滤法制备了GSC复合柔性膜电极。OSC的加入有效抑制了石墨烯因层间的π-π相互作用力而发生堆叠的现象。经优化两组分的配比，所得的GSC-1电极，在电流密度1mAcm-2下，面积比电容为566mFcm-2。在经过10000次循环充放电后，电容保持率为90.8%。以GO/MnO2薄膜为正极，GSC-1膜电极为负极，PVA-KOH凝胶为电解质，组装成GO/MnO2//GSC非对称超级电容器，所得器件的工作电压为1.4V，面积比电容为150mFcm-2。在能量密度为0.0408mWhcm-2时，功率密度为0.699mWcm-2。
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