金属离子电容器的设计初衷是在商用电池电解液中利用离子插层型材料取代传统的电双层电容器（EDLC）负极,通过预金属化和不对称设计,以期获得更高的比能量、更宽的电压窗口和更慢的自放电,使得金属离子电容器兼具二次电池和电双层电容器的双重优势,正是由于以上特点使得金属离子电容器备受研究人员的青睐。经过近二十年的研究,锂离子混合电容器已经取得了长足的进展,但是锂资源的匮乏及其在地壳中分布不均的限制,使得其并不适合于大规模储能应用。考虑到钾在自然界的储量丰富、分布广泛的特点并且与锂的理化性质相似,因此,钾基储能被认为是可以替代或补充锂基储能的新型储能方式。目前,钾离子混合电容器的研究仍处于早期阶段,其中,K+离子因半径较大造成了负极材料的结构不稳定以及电化学动力学缓慢等问题,从而阻碍了储钾材料的开发。就现有报道的储钾碳材料而言,它们普遍存在初始库仑效率低、充放电平台不明显、1V以下的充电容量低等瓶颈问题,这些特征不利于构建高电压的钾离子储能器件,从而限制了器件的能量与功率密度。本文以生物质硬碳为研究对象,在结构设计、储能机理探索和器件构筑等方面进行了系统的研究,构建了一种新型的储能器件—钾离子混合电容器（PIHCs）,其具备低成本、高电压、高能量密度、高功率密度和长循环寿命的特点。研究内容包含以下两个方面:（1）纸巾衍生硬碳的储钾性能研究与柔性钾离子混合电容器的构建:硬碳的结构是高度无序的,具有随机取向的涡轮层状结构,提供了适合大尺寸金属离子（如K+离子）插层的传输通道,有利于快速储钾。然而,硬碳材料通常是由生物质材料衍生而来,呈现粉末状态,在制备电极时,需要引入导电剂和粘结剂,由于它们的引入使得电极的死体积增加,势必导致初始库仑效率的降低。另一方面,闭合孔对于硬碳的储钾性能具有重要的影响,但大多文献报道的储钾硬碳以开放孔为主,如何系统调控硬碳纳米孔的结构与分布至关重要。基于以上考虑,我们利用生活中常见的纸巾为原料,通过简单的两步碳化工艺（250°C预氧化,700°C、900°C、1100°C、1300°C碳化）,得到的硬碳纤维纸（分别命名为HCMB-700、HCMB-900、HCMB-1100、HCMB-1300）完整的保留了前驱体的机械柔性。通过BET、Raman、XPS、XRD、TEM等测试手段对材料的比表面积、形貌、结构进行表征。结果表明HCMB-1300的储钾性能最佳,其表现出相当高的ICE（88%）、良好的倍率性能(100 m A g-1时254 m Ah g-1、1000 m A g-1时155 m Ah g-1)、优异的循环稳定性（循环400圈几乎没有衰减）,最突出的是,它具有与石墨类似的放电平台。当HCMB-1300负极与商业活性炭（AC）正极组装钾离子混合电容器时,由于HCMB-1300负极的这些独特优势赋予了PIHC器件高达4.5 V的高工作电压和152 Wh kg-1的高能量密度,实现了快速充电性能,超过了之前文献中报道的PIHCs。（2）“石墨+纸巾”衍生硬碳纤维的储钾性能研究与钾离子混合电容器的组装石墨是最理想的储钾负极材料之一,然而石墨负极在传统的KPF6基电解质循环过程中会发生较大的体积膨胀,导致容量快速衰减,使得石墨负极的储钾潜力受到了极大的限制,另一方面,石墨的价格一直攀升,这也将不利于它的实际应用。本文前半部分描述的纸巾硬碳（HCMB-1300）负极的放电平台接近石墨,但还存在一定的差异。当在HCMB中分别添加5%、10%、20%、30%的石墨时（分别命名为HCMB@5%Gr、HCMB@10%Gr、HCMB@20%Gr、HCMB@30%Gr）,复合材料的放电平台也随之降低,研究发现HCMB@20%Gr在充放电平台、ICE和循环稳定性以及K+离子扩散动力学方面表现最佳,其具有与石墨高度吻合的充放电平台,以及基于粉末电极高达78.9%的初始库伦效率,这在目前报道的基于粉末电极的储钾负极材料中是最高的。不仅如此,其充电的可逆容量为272.7 m Ah g-1均高于上一章的HCMB-1300和纯石墨材料。基于HCMB@20%Gr优异的储钾表现,当与商业活性炭（AC）耦合组装成钾离子混合电容器时,由于HCMB@20%Gr的充放电平台相较于HCMB-1300更低且与石墨高度吻合,因此组装好的HCMB@20%Gr//AC PIHC全电池在4.5 V的工作电压下具有165 Wh kg-1的高能量密度和19400 Wh kg-1的高功率密度。当能量密度为121 Wh kg-1时,其充电时间仅需20秒,这些性能超过了上一章中的HCMB-1300//AC PIHC和文献中报道的钾离子电容器。