电化学电容器又称为超级电容器,是介于传统平行板电容器和电池之间的新型能源存储器件,具有功率密度高、循环稳定性好以及大电流快速充放电能力等特点,近些年来在世界范围内引起了极大的关注。但是如何实现高能量密度存储,同时保持良好的功率密度和低生产成本是超级电容器目前发展所面临的最大挑战。电极材料作为超级电容器的核心组分,从电极材料的制备和设计角度提高超级电容器电化学性质是当前该领域的研究热点,特别是三维多孔碳基纳米材料的构建和制备。电纺碳纳米纤维具有超长一维纳米结构和三维连续框架结构,既可以作为理想的自支撑电极材料,也可以作为基底材料与赝电容材料复合或进行表面异类元素掺杂制备高电容复合电极材料。本论文对此进行了以下一系列研究:(1)以电纺碳纳米纤维为基底,通过反复、多次苯胺单体原位化学聚合,实现高负载量(78 wt%)PANI在CNFs表面均匀沉积,制备的CNFs/PANI复合电极材料在三电极测试体系中,在5 mV/s扫描速率下比电容值为407 F/g;此外,在CNFs表面修饰CNTs,能够提高电极材料的导电性、降低离子扩散半径以及提高PANI利用率,采用溶剂热、高温氢气还原和原位化学气相沉积相结合的方法,成功合成高质量CNFs/CNTs混合碳材料。以CNFs/CNTs/PANI三元复合材料作为电极材料制备的全固态柔性超级电容器具有10.1 kW/kg高功率密度和5.1 Wh/kg高能量密度。(2)从电极材料的结构和设计角度出发,以电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维为基底,利用其超长一维纳米结构和三维多孔框架结构,通过苯胺单体原位聚合,实现PANI在PAN纳米纤维表面均匀、连续沉积,制备柔性PAN@PANI核-壳复合纳米纤维。以PAN@PANI纳米纤维直接作为电极材料,PANI同时起到导电和储能作用,调控PANI的酸掺杂程度和负载量,在三电极测试体系中,PAN@PANI纳米纤维在5 mV/s扫描速率下比电容值为346 F/g;此外,PAN@PANI纳米纤维还是具有特殊核-壳纳米结构的富氮前驱体,通过热解处理制备自支撑氮掺杂多孔碳纳米纤维(NPCNFs),控制处理温度调节纤维表面氮含量以及孔分布特性,基于NPCNFs电极材料的全固态柔性超级电容器在0.5 A/g电流密度下,可以实现250 W/kg功率密度和9.2 Wh/kg能量密度存储,此外,即使在5.8 kW/kg高功率密度下,固态器件依然具有5 Wh/kg能量密度输出。(3)高比表面积、低内阻的多孔碳材料作为电极材料具有理想的电荷存储能力。利用PAN/PVP/DMF前驱体溶液在水中的相分离作用得到多孔PAN薄膜,经高温碳化和KOH表面激活处理,制备具有高度交联骨架结构的自支撑多孔碳(HPC)薄膜材料。以HPC薄膜材料为电极材料,组装CR2025型扣式超级电容器具有仅为0.8Ω的内阻和高达96%的库伦效率,在0.5 A/g和32 A/g电流密度下器件的比电容值分别为204 F/g和152 F/g;此外,在HPC薄膜材料表面修饰PANI,制备HPC/PANI复合电极材料可以进一步提高电极材料的电容性;为了进一步降低HPC薄膜电极的内阻,实现了泡沫镍支撑多孔碳材料(NF-HPC)一体化电极结构的设计,将器件内阻降低至0.31Ω以及库伦效率提高到近乎100%。基于NF-HPC独特的电极结构设计,器件在0.5 A/g电流密度下的比电容值高达283 F/g,以及实现了10 Wh/kg高能量密度和124W/kg功率密度存储。