因人类过度使用引起的能源短缺、以及逐渐恶化的环境污染问题,促使科研工作者将能源研究的重点转移到可持续和可再生能源领域,例如太阳能、风能、潮汐能等。为了满足对新兴能源应用的需求,选择合适高效的能量储存器件也成为亟待解决的问题。锂离子电池、超级电容器和锂硫电池因其各自的优势成为目前研究最为广泛的电化学储能设备。能否显著提高储能器件的能量密度和循环寿命成为了一个至关重要的问题。作为电化学储能器件的重要组成部分——活性材料,更是成为人们重点研究的对象。本文选取自然储量丰富、可再生的生物质——灯芯草。以灯芯草为前驱体,利用其良好的吸附性能,通过不同处理方法制备了一系列生物质碳及其复合材料,并积极探索不同合成方法对获得材料的微观结构以及储能性能所造成的差异性影响。具体研究内容如下:1.以天然灯芯草为碳源,通过碳酸钾溶液浸渍,低温活化、高温碳化合成获得生物质碳。表征结果发现,生物质碳的形貌结构随着碳酸钾的比例大小发生显著的改变。随着活化剂用量增大,生物质碳从未完全活化的碳块逐步演化为具有适当孔隙率和大比表面积的奶酪状生物质碳,至最后结构坍塌。实验成功制备了奶酪状分级多孔、大比表面积(2338 m2.g-1)灯芯草生物质碳。当应用于超级电容器时,在1A.g-1电流密度下比容量可以达到357 F.g-1,即使当电流密度高达20 A.g-1,依旧能保持280 F.g-1的较高的比容量。材料同时具有出色的循环稳定性,经过5000次循环后,容量保持率为98%。该方法合成的是集微孔、介孔和大孔于一身的大比表面积生物质碳,在降低传输阻力、提高速率性能的同时还能提供更多的活性位点,使其具备更高的电化学潜力。当作为活性材料修饰Celgard 2300隔膜应用于锂硫电池时,在0.1A.g-1的电流密度下首次放电容量可达到1359 mAh.g-1,并且在2 A.g-1电流密度下循环500次后仍保持有493 mAh·g-1的放电容量。多孔、大比表面积的生物质碳对多硫化锂拥有强吸附性,能够拦截多硫化锂并将被捕获的多硫化锂固定在生物质多孔碳涂层中,极大程度上减缓了对隔膜的穿梭刺破作用。此外,多孔碳涂层还能促进绝缘硫正极中的电子快速传输,其多孔的空间和导电框架能够提高硫负载量,增强电极材料的导电性能。2.利用天然灯芯草为生物硬模板,采用浸渍、焙烧法,通过调节反应体系浓度和温度成功制备了一系列形貌结构不同的SnO2/C复合材料并测试了材料的储锂性能,展示了优异的电化学稳定性。其中,样品300-0.5-SnO2在0.07 A.g-1的电流密度下,首次放电容量为1226 mAh·g-1。在2.4 A.g-1电流密度恒流循环200次后材料的放电容量仍可达到550 mAh.g-1。由灯芯草衍生的相互连接的大网络海绵生物碳框架不仅实现了对SnO2纳米颗粒的限域,还增大了活性材料和电解液的接触面积,提供更多的活性位点,同时增强了活性材料的导电能力,极大地提升了复合材料的储锂性能。3.同样的,还是以灯芯草为前驱体并加入另外两种生物质(木屑刨花,银耳)为对比样,通过浸渍、熔融盐辅助法制备了三种具有新颖独特形貌结构的SnO2/C复合材料J-SnO2(以灯芯草为前驱体),T-SnO2(以银耳为前驱体)和W-SnO2(以木屑刨花为前驱体),并考察了复合材料应用于锂离子电池的储锂性能。在0.07 A.g-1电流密度下,样品J-SnO2,T-SnO2和W-SnO2首次放电容量高达 1439,1387 和 1055 mAh.g-1,且 J-SnO2和 T-SnO2 即使在 6A·g-1 的大电流密度下分别能保持325和330 mAh.g-1的放电容量,并且当电流密度重新回到0.8 A.g-1时,两种复合材料的放电容量仍可恢复至642和676 mAh.g-1。植物多样性和植物细胞壁对金属离子的选择性吸收使得所制备的生物质碳复合材料也各具特色。样品J-SnO2,随着碳化温度升高,熔融的液体介质直接将碳基质裂解,最后就形成了蓬松、随意堆积的鸟窝状大单位SnO2纳米线。然而,T-SnO2和W-SnO2的纳米线更加粗短,且堆积很有规则,宛如内部拥有一个球核,以核为中心向四周生长纳米线。熔融的液态介质促使SnO2和生物质碳均匀分布,构筑更加有效的碳框架,提高了复合材料的导电性,赋予材料优异的储锂性能。