【摘要】：随着社会的飞速发展,化石燃料逐渐濒临枯竭。此外,化石燃料的使用对人类的生活环境造成严重的危害。因此,开发清洁可再生的新型能源对人类社会的发展具有重要的意义。作为电化学能的储存与转换设备,锂电池已广泛应用于多种领域。然而,随着科学技术的不断发展,人们对储能设备的要求不断提高,锂离子电池自身的一些缺陷逐渐暴露出来,例如:瞬间动力不足、成本高等。因此,研究新型环保的储能设备势在必行。超级电容器作为新型储能设备开始逐渐进入人们的视野。主要是因为其具有清洁环保、成本低、寿命长以及介于传统超级电容器和锂电池之间的高功率密度和能量密度等优点。超级电容器通常可分为双电层电容器、赝电容器以及混合型超级电容器。其中,混合型超级电容器与其他两种超级电容器相比,具有更宽的电压窗、更高的能量密度、以及优异的循环稳定性。混合型超级电容器通常在负极上利用双电层原理来储存能量,正极则通过发生的氧化还原反应来储存能量。目前,由于负极的比电容远小于正极,导致混合超级电容器总体的比电容比较小。因此,如何有效提高电容型电极材料的比电容成为提升混合型超级电容器能量储存一个关键技术。碳基材料作为常用负极材料由于其低成本、良好的稳定性以及优异的导电性等优点而得以广泛的研究。

碳基材料的储能机理主要是通过静电或吸附作用,在电极材料与电解质界面形成双电层,从而达到储存能量的目的。根据碳基材料储能机理发现,其储能性质与材料的比表面积有很大关系。因此,提高碳基材料储能性质的一般方法通常是制备具有多孔结构的高比表面积材料。近年来,生物质炭材料逐渐成为研究火热的碳材料之一。究其原因发现,首先其原料是可持续再生的生物质材料,不仅成本低,资源丰富,而且生物质材料绝大部分由纤维类聚合物以特定的结构构成,含碳量丰富。其次是因为利用生物质制备碳材料还可以有效地提高自然资源利用率,减少环境污染。最后,生物质本身的多孔结构有利于多孔碳材料的形成,是制备生物质炭的最佳三维模板剂,从而增加碳材料的比表面积和缩短电解质离子的扩散距离,提高离子的扩散速率,进一步提高碳材料的电化学性能。据此,本论文围绕生物质炭材料进行一系列的电化学研究。具体内容如下:1)麦秆衍生生物质炭材料的设计合成与电化学性能以麦秆为原料,经过与柠檬酸交联过程以及KOH活化处理,成功地制备出了三维多孔生物质炭材料,该材料具有丰富的孔结构,其中最高的比表面积可达到2559.6 m~2 g~(-1)。并且表现出优异的电化学性能。

2)基于麦秆衍生生物质炭材料的液态或固态对称超级电容器的性能与应用以麦秆衍生生物质炭材料的电极分别作为正极和负极、以3 mol L~(-1) KOH溶液作为电解液组成液态对称超级电容器。该液态超级电容器经过20000圈循环后其电容保持率高达94.71%,表现出优异的循环寿命。以聚乙烯醇(PVA)-KOH凝胶作为固态电解质将麦秆衍生生物质炭电极组装成固态超级电容器。该超级电容器不仅展示出较高的能量密度,还具有良好的柔性和耐低温性。3)基于多孔生物质炭材料和Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层复合材料的混合超级电容器性能与应用通过简单的水热法成功地制备了由泡沫镍支撑的Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层纳米复合材料。结构表征显示,Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层纳米复合材料下层相互交联的纳米片是Ni(OH)_2,上层装饰的花状材料是Co_2(OH)_3Cl。电化学性能测试表明,与Ni(OH)_2纳米片相比,Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层纳米复合材料的比容量明显增加。更重要的是,基于Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层纳米复合材料和壳聚糖衍生生物质炭的混合型超级电容器表现出宽的电压范围,高的能量密度和优异的循环稳定性。所有结果表明,基于Ni(OH)_2-Co_2(OH)_3Cl双层纳米复合材料和壳聚糖衍生生物质炭的混合超级电容器是有潜力的储能装置。