多孔碳复合材料的制备及在超级电容器中的应用

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现代社会工业技术的不断革新和经济的发展给人类生存带来了巨大的能源与环境危机,这推动了清洁和可再生能源的储存和输送的系统性发展。储能装置,尤其是电化学电容器(超级电容器)受到了研究者们广泛的关注和研究。超级电容器由于其极快的充放电速率、较宽的工作温度范围、良好的循环稳定性和安全性,在新能源汽车、移动电子设备和备用电力系统等许多领域具有很大的应用潜力和开发价值。在本文中,首先利用生物质前驱体苦丁茶树叶,经过简单的一步热解和碱活化的方法制备了多孔生物质碳材料(HPC)。该碳材料具有一些优异特性,如较大的比表面积和优异的孔径结构,同时还天然含有氮和氧元素,从而具有优异的电化学性能。这种生物质活性碳材料在1 Ag-1条件下比电容高达311 Fg-1。此外,还具有良好的倍率性能和充放电稳定性(30000次恒电流充放电循后电容依旧能保持92%)。将该生物质活性碳材料组装成对称超级电容器后,在500 Wkg-1的功率密度条件下,其能提供的能量密度约21 Whkg-1。这种通过简单廉价的方法制备的多孔生物质碳材料在储能方向有较好的应用前景。其次,以上述生物质碳作为基底,在不同浓度的高锰酸钾溶液中通过水热反应制备了不同MnO2形貌的复合材料(HPC/MnO2)。这种纳米复合材料在电流密度为1和10 Ag-1的条件下,其比容量分别达到了283.8和156.7 Fg-1。以这种复合材料为正极,苦丁茶树叶多孔碳为负极制备了非对称超级电容器,其功率密度和能量密度分别为1620 Wkg-1和58.5 Whkg-1。这些优异的储能性能来源于该复合材料的异质纳米结构、高导电的多孔基底和适合离子/电子传输路径。最后,利用正硅酸四乙酯、间苯二酚和甲醛的缩聚反应和碳化处理制备了一种双层空心碳微球(CNHS),通过高压水热反应制备了复合材料(CNHS/MnO2)。该复合材料在1Ag-1电流密度测试条件下,其比电容最高可达到300.4 Fg-1,且具有良好的倍率性能和循环性能。
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