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超级电容器在高功率情形下,能量密度会显著降低,这极大地阻碍了其商业应用。因此,研发高能量密度,同时具有高功率密度的超级电容器极其重要。碳材料常作为超级电容器的电极材料,其导电性能、孔结构、比表面以及表面化学性质等,对超级电容器的性能有重要影响。鉴于此,本文围绕提高离子在多孔电极中的扩散性能展开研究,设计利于离子快速扩散的不同孔结构的碳电极材料,获得几种高性能的碳基高功率超级电容器。主要研究内容和创新性如下:1、通过在含有杂质铜铝片阳极氧化得到的三维多孔阳极氧化铝膜上化学气相沉积碳,制备出具有直立碳管和横向碳管相互连接的三维自支撑直立碳管(3D-VCT)网络。3D-VCT网络解决了传统的一维碳纳米管(CNT)阵列因大的长径比团聚,而严重阻碍离子扩散的难题,并具有优异的导电性能和高效的离子扩散性能。作为电极,在200 V/s扫速以下保持了超级电容器的面积比电容基本不变的特性。2、将上述三维多孔氧化铝膜经过NiSO4溶液中浸泡和化学气相沉积碳,制备了腔内填充CNT的三维自支撑直立碳管(3D-CNT@VCT)网络。研究了不同厚度3D-CNT@VCT电极对离子扩散和电化学储能的影响。发现电极厚度为10μm时,超级电容器在120 Hz频率下,展现出-81°的相位角和1.8 mF/cm2超高的面积比电容以及在线性滤波电路中优异的滤波性能,并且获得了 1800 W/cm3的超高功率密度。其优异电化学储能性能和滤波性能,有望取代传统的铝电解电容器,对电子电路中电源器件的小型化发展具有重要意义。3、将氧化石墨烯和乙醇混合溶液定向冷冻、干燥和退火,制备了厚度几百微米且具有格子状直立的还原氧化石墨烯(VrGO)网络。解决了石墨烯团聚和堆叠而导致低效的离子扩散的问题,以及通过射频等离子化学气相沉积制备直立石墨烯厚度较小的难题。基于VrGO的超级电容器,具有笔直的高效离子扩散通道,在200 V/s的高扫速下,仍保持较好的电化学储能特性,获得了740 kW/kg的超高功率密度。4、通过精确控制棉纤维在碳化过程中的升温速率和气体流量,成功制备了由喇叭状纳米碳包覆的空心碳化棉纤维(HCC@TNC)及氮掺杂HCC@TNC(N-HCC@TNC)。在400 A/g的高电流充放电下,N-HCC@TNC电极的比电容达到293 F/g,相对于2 A/g时的比电容,仅损失了23%。当功率密度达到100 kW/kg时,N-HCC@TNC电极能量密度为8.9 Wh/kg,而HCC@TNC为4.9 Wh/kg,通过氮掺杂提升了80%的能量密度。