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基于高的功率密度、循环稳定性和快速充放电速率,超级电容器作为高效储能装置广泛应用在电子设备和电动车上。但由于其电极材料制备过程复杂、价格昂贵且产量低,很难满足人民对能量储存的需要。因此制备价格低廉、方法简单、可量产化同时具有良好电容性能的电极材料的研究变得尤为重要。 多孔碳材料因具有可调控的结构、高比表面积和良好的导电性广泛应用于超级电容器电极材料。目前有各种各样的方法来制各多孔碳材料,如活化法、模板法、水热碳化法等。这些方法虽然可以制备出产物,但往往由于工艺复杂,反应温度高,或制备的产品产量偏低等问题严重阻碍了其发展。 本论文旨在研究一种新型的制备多孔碳材料的方法,统筹解决目前合成方法存在的问题。本课题采用成本低且可量产的熔盐法制备多孔碳材料,以价格低廉、来源广泛且环境友好的生物质原料为碳源,反应在双坩埚中进行。利用高温时材料在熔融盐中的反应,对生物质多孔碳材料进行原子掺杂等可控制备,拟实现具有高比表面积,高原子掺杂量及优异的超级电容器性能的电极材料的制备。本实验中我们以生物质材料面粉和棉花为原料,研究了熔融盐质量、反应温度等参数对制备的多孔碳的结构和电化学性能的影响。本论文主要开展了以下创新的工作: 1.我们报道了一种以生物质材料面粉作为碳源,LiCl/KCl为熔盐,LiNO3为氮源制备多孔碳材料的方法,在一定温度下,通过控制加入硝酸锂的质量,来调控材料的含氮量,得到不同含氮量和比表面积的多孔碳材料。通过研究我们发现,当制备温度为650℃,硝酸锂和面粉的质量比为1∶1的时候,得到的材料具有较高的比表面积和含氮量,且当用做超级电容器电极材料时,这种材料在电流密度为1 A/g时,在1 M H2SO4中比电容高达261 F/g。并且在电流密度为15 A/g时经过10000次循环寿命测试,容量保持率为94%,具有良好的循环稳定性。说明可以在超级电容器电极材料上有潜在的应用。 2.为进一步探索不同碳源、温度对材料的多孔性及超级电容器性能的影响,我们利用生物质材料棉花作为碳源,探索了不同温度下材料的形貌和结构。结果表明,在一定的温度范围内,随着温度的增加,材料的比表面积、微孔体积和电化学活性氮含量都有增加。在温度为750℃时,得到的材料具有较高的比表面积和含氮量。当用做超级电容器电极材料时,在电流密度为1 A/g时,电极测试在1 M H2SO4中比电容高达252 F/g。并且当把电极材料组装成两电极的电池测试系统时,材料也呈现出较高的能量密度,说明了这种材料可以作为商业超级电容器应用。 本论文的创新点在于,熔盐法不仅可以降低反应温度,且因材料在离子液体中反应,实现了材料的原子级反应。熔盐法方法简单,实验周期短,成本低,且反应在双坩埚中进行,通过改变坩埚的体积,有望实现量产化生产,产率较高,因此适用于工业化生产。