基于多孔活性炭正极和掺杂多孔碳负极的锂离子电容器

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锂离子电容器作为下一代储能设备有力的候选者,已经成为当前研究的热点。但是,嵌入式负极的低动力学与电容式正极的快速动力学不匹配问题和化学嵌入/脱出电极的高比容量与物理吸附/脱附型电极的低比容量难以平衡的问题,严重的阻碍了锂离子电容器的发展。因此,探索合成新型的电极材料,已经成为当前急需解决的问题。本文主要围绕制备高性能的锂离子电容器,在碳材料的制备,正负极的匹配优化等方面开展了一系列的工作,主要内容如下:(1)多孔活性炭正极的制备和电化学性能研究。本文使用一步高温碳化活化法制备了多孔活性炭,通过对氢氧化钾的加入量和二次煅烧温度的考察,发现氢氧化钾:沥青粉的质量为为5:1,二次煅烧温度为1000℃时制备出的多孔活性炭具有最优的电化学性能。在电压区间在1.5-4.5 V,电流密度为0.5 A g-1时,该多孔活性炭正极表现出较高的比容量(263.8 m A h g-1)。在电流密度为5 A g-1时,容量保持率仍然可以达到68.11%,表现出优秀倍率性能。(2)掺氮多孔碳负极的制备和电化学性能研究。本文使用一步碳化模板法合成了一种氮掺杂多孔碳。该碳材料具有多孔氧化镁模板类似的片状结构,丰富的介孔,较高的氮含量。经电化学测试表明,氮掺杂多孔碳在电压区间为0.01-1.5 V,电流密度为1 A g-1时,具有较高的比容量(248.1 m A h g-1),在5 A g-1时,比容量为177.3 m A h g-1,容量保持率为71.64%,是一种高性能负极材料。(3)锂离子电容器性能研究。本文以多孔活性炭为正极和氮掺杂多孔碳为负极,构建全锂离子电容器(PAC1000//NPC)。通过高性能的正负极材料合适的匹配,使组装的锂离子电容器具有良好电化学性能。当功率密度为952.3 W kg-1时,全锂离子电容器(PAC1000//NPC)的能量密度可以达到176.2 Wh kg-1。当功率密度达到9523.8 W kg-1时,能量密度仍然保持很高,达到132.3 Wh kg-1。锂离子电容器经过2000圈充放电循环后,容量保持率为78.12%,具有良好的循环稳定性。综上,我们通过碳材料结构设计和全电容器合理匹配,获得了一种以多孔活性炭为正极、掺氮多孔碳为负极的高性能锂离子电容器,这种全碳材料锂离子电容器具有能量密度高、循环稳定性好的优点,对锂离子电容器的应用推广具有重要理论和实用价值。
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