碳材料具有结构多样、表面丰富、可调控性强、化学稳定性好等优势,一直是电化学储能材料的理想候选,如商品化锂离子电池负极材料石墨,超级电容器的电极材料活性炭。随着微纳米碳及其复合材料快速发展,其独特的结构、优异电化学性能,为其在电化学储能领域,特别是高能电池方面的应用提供了新的机遇。生物质储量丰富,可持续再生,是制备碳材料的理想原料。但是,由于生物质难溶、成分复杂的特性,对于生物质碳形貌调控以及理想复合材料的制备仍是一个挑战。本文充分利用生物质本身所具有的特性,通过生物质矿化策略和酵母菌培养的方式实现了生物质碳形貌结构多样化及其复合材料的制备,系统地考察了其在电化学储能领域的应用。具体研究内容包括:1.以天然木耳为碳源,通过低温水热处理得到木耳基溶液,再与高锰酸钾进行二次高温水热,实现一种生物质矿化策略。通过改变反应体系在反应釜中的占比,可控地制备出多种形貌的碳酸锰复合材料。此外,以上述制备的梭形碳酸锰为前驱体通过高温煅烧可以获得多孔的MnO/C复合材料。生物质碳的均匀复合为MnO提供了高效的导电框架;多孔结构有利于电解质的传输,并提供更多的活性位点。作为锂离子电池负极具有较好的倍率性能,在0.1Ag-1的电流密度下容量达到981 mAh g-1,当电流密度达到5Ag-1时容量仍保持为440 mAhg-1.2.构筑核壳结构是提高金属氧化物作为锂离子电池负极循环稳定性重要方式,但是以天然生物质为碳源制备金属氧化物@生物质碳的核壳结构仍然难以实现。结合上一章工作中立方体碳酸锰制备方法,通过煅烧制备出核壳结构的MnO@C复合材料。稳定的碳壳提供了连续的导电通道,可以作为MnO有效的保护层,缓解充放电过程中体积膨胀效应以及减缓电解质对活性材料的侵蚀。在电化学性能测试中,在0.1Ag-1的电流密度下质量比容量达到1147mAhg-1,体积比容量达到1628.7mAh cm-3并且具有优异的循环稳定性。3.以天然木耳和KMnO4为原料,调整两者质量比,通过简单的水热矿化策略,制备MnCO3/C复合材料。以此为前驱体,通过不同的热处理工艺制备了立方体多孔MnO2和生物质碳框架并分别用作为正极和负极材料组装非对称超级电容器,表现出优异的电化学性能,能量密度达到46.1 Whkg-1。该项工作的特点是“一举两得”的合成策略—由同一种前驱体制备出正极和负极材料,达到了简化制备工艺,降低成本的目的,对于实际生产应用具有积极的现实意义。4.合理利用生物质腐败的原理,以原生木耳和木耳基溶液为固体和液体培养基培养酵母菌,实现废物的综合利用。固态培养基主要探索酵母菌发酵作用对生物质原始结构和成分的影响,对原生木耳低孔隙率块状结构进行改造,同时增加异质元素(N、P)掺杂。结果表明,原生木耳经过酵母菌发酵之后形成了多孔的纤维状结构,所制备的生物质碳表面积增加,有利于进一步的活化。液态培养利于酵母菌在木耳基溶液中大量繁殖再生,通过冷冻干燥获得三维块状孢子气凝胶,经过进一步的碳化活化过程制备多孔孢子碳气凝胶。考察了所得碳材料在不同电解液体系对称超级电容器中的性能,表现优异。在水系条件下组装的器件比容量可以达到80Fg-1,ACN有机体系下能量密度达到88.17Whkg-1。