【摘 要】
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近年来,随着人类社会的不断发展和人口的快速增长,各类化石能源消耗日益加快,由此造成了严重的能源危机和环境恶化问题。中国作为世界上最大的发展中国家,对能源的需求和消耗量巨大,面临的挑战也最多。在这一背景下,大力推动能源革命,积极发展新型绿色能源,其重要性不言而喻。储能器件作为能量存储和转化设备,是能源革命的关键技术支撑。以锂离子电池为代表的电化学储能凭借其突出的优势已成为目前应用最为广泛的储能技术。
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近年来,随着人类社会的不断发展和人口的快速增长,各类化石能源消耗日益加快,由此造成了严重的能源危机和环境恶化问题。中国作为世界上最大的发展中国家,对能源的需求和消耗量巨大,面临的挑战也最多。在这一背景下,大力推动能源革命,积极发展新型绿色能源,其重要性不言而喻。储能器件作为能量存储和转化设备,是能源革命的关键技术支撑。以锂离子电池为代表的电化学储能凭借其突出的优势已成为目前应用最为广泛的储能技术。然而锂资源储量有限且分布不均,并且其价格也在随着锂的大量消耗而不断攀升,这势必会制约其进一步的应用。相比之下,钠储量丰富、分布广泛且价格低廉,而且理化性质与锂相似。因此,钠被公认为是可利用的电化学储能原料,在全球范围内成为新一代储能器件的研究热点。钠离子混合型电容器是一种新型电化学储能器件,设计初衷是使器件在获得较高能量密度的同时保持较高的功率密度,因此具有广阔的应用前景。然而,钠离子混合型电容器的阴极和阳极之间动力学不匹配,导致其实际应用受阻。解决这一问题的关键在于开发性能优异的电极材料,尤其是电池型阳极材料。为此,本论文围绕生物质基炭材料和Sb基复合材料在储钠领域的应用开展了相关研究,主要内容如下:(1)以来自中国新疆地区的生物质—恰玛古为碳前驱体,充分利用其体内固有的孔道结构,并在此基础上进行预碳化和活化,设计制备了生物质衍生多孔炭(BDPC)材料。利用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和氮气吸/脱附测试对材料进行结构表征;通过循环伏安法、恒流充放电、循环倍率和电化学阻抗分析表征材料的电化学性能。结果表明,BDPC-600因含有氮、氧杂原子(含量分别为3.36at.%和7.61 at.%),故表现出良好的储钠性能:在0.1 A g-1电流密度下,经过100次循环充放电过程后,可逆容量为187.7 mAh g-1,容量保持率为88.7%。此外,BDPC-900由于具有较大的比表面积(2396.60 m~2 g-1)和孔容(1.70 cm~3 g-1),故具有优异的倍率性能。(2)采用一种简单的液相还原法制备了负载金属Sb的生物质衍生多孔碳复合材料(Sb@BDPC),利用多种结构表征手段证实了该金属Sb存在于多孔碳的孔道内,并以该复合材料为阳极组装成半电池测试了其储钠性能。由于Sb纳米颗粒和多孔碳协同作用,Sb@BDPC-900表现出出色的电化学性能,在0.1 A g-1电流密度下,其容量为355.1mAh g-1,经过100次循环充放电过程后,可逆容量为302.7 mAh g-1,容量保持率为85.2%。在1 A g-1电流密度下,该复合电极经过500次循环充放电过程后,可逆容量为168.3mAh g-1,且容量保持率为97.6%。此外,以BDPC-900复合材料为阳极,商业活性炭(AC)为阴极组装了钠离子混合型电容器,其能量密度为180.3 Wh kg-1,功率密度为1342 W kg-1。
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