生物质基炭功能材料的制备及其在超级电容器中的应用

【摘要】：为应对全球资源短缺的挑战,防止化石燃料的过度消耗,开发基于可持续发展资源的清洁能源储存和能源转换和储存设备被视为有效战略。作为能源储存的锂离子电池已被应用于多个领域,随着技术的不断成熟和完善,锂电池的诸多缺陷也逐渐暴露,如生产要求条件高,成本高、大功率放电差等。伴随着需求和性能不足矛盾的升级,着眼于更加低成本,性能更加突出的新型储能设备已是刻不容缓。超级电容器因其具有快速的充放电、长期稳定性,低成本和较低的维护需求等优点被认为是一种极具发展前景的能源存储设备。电极材料是影响超级电容器储能性能的关键因素,近年来,以活性炭、石墨烯、碳纳米管为代表的炭材料是作为超级电容器电极材料的首选材料。但是,由于这些炭材质的复杂特点以及高昂的成本,导致它的工业化道路还非常遥远。从社会经济与可持续发展的视角出发,可从大自然中获取的生物质材料因其低成本,无毒无害而被发掘成超级电容器的可选材料。当前,开发的高孔隙结构多孔炭材料多有报道,但过程繁琐,伴随多种副产物,仍存在比电容和能量密度水平低的缺陷,基于这种理念,如何开发出合成步骤简单、活化过程绿色化、高比电容和高能量密度且具有普遍性的制备方法合成功能电极材料仍是一个挑战。据此,本文选用多种生物质,采用掺杂活化联用的方式制备生物质基多孔炭。同时,在多孔炭基础上引入过渡金属氧化物制备复合材料,具体内容如下:(1)以硼酸和硫脲为B和S源,八宝茎干为碳前驱体,采用Zn Cl_2活化工艺制备了用于超级电容器的B/S共掺杂多孔碳电极材料(B/S-SC_S-1)。由于Zn Cl_2的活化处理与B、S的掺杂之间的协同效应,所制备的B/S-SC_S-1作为电极材料在0.5 A g~(-1)时表现出290.7 F g~(-1)的比电容以及出色的倍率性能表现。此外,用B/S-SC_S-1构建的超级电容器在1 M Na_2SO_4电解质中产生的最大能量密度为16.65 Wh g~(-1),并且在10000次循环后表现出高稳定性,初始电容保持率为97.09%。(2)采用过渡金属氧化物Fe_2O_3修饰苹果树枝衍生炭表面,利用二者的协同效应获得更高的比电容和稳定性。制备的复合材料存在一定的孔隙结构,Fe_2O_3纳米粒子被锚定在炭表面。当Fe_2O_3和生物质衍生炭的质量比为1:1时具有最优的电化学性能,将3 M KOH作为三电极电解液时,复合材料在1 A g~(-1)的电流密度下提供了430.8 F g~(-1)的高比电容。制备的复合材料作为负极在模拟实际电容器体系中电压高达1.6 V,基于高的电压区间,组装的超级电容器能够提供39.1Wh kg~(-1)的能量密度。