【摘 要】
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近年来,超级电容器因具有出色的循环稳定性和快速充放电能力,以及超高功率密度等优点,被视为应对能源和环境挑战的主要手段之一。随着人们对储能设备需求的增加,开发具有更优电化学性能,尤其是具有更高能量密度的超级电容器是非常有必要的。超级电容器的充放电机理主要是通过多孔电极内部对离子的吸附来实现充放电。因此,提高其电极材料吸附离子的能力以及吸附速率就成为了提高超级电容器电化学性能的关键。其中,提高电极材料
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近年来,超级电容器因具有出色的循环稳定性和快速充放电能力,以及超高功率密度等优点,被视为应对能源和环境挑战的主要手段之一。随着人们对储能设备需求的增加,开发具有更优电化学性能,尤其是具有更高能量密度的超级电容器是非常有必要的。超级电容器的充放电机理主要是通过多孔电极内部对离子的吸附来实现充放电。因此,提高其电极材料吸附离子的能力以及吸附速率就成为了提高超级电容器电化学性能的关键。其中,提高电极材料吸附离子的能力可以通过选择合适的生物质碳前驱体以获得理想的内部结构和使比表面积最大化来实现;提高电极材料的离子吸附速率则常常考虑掺杂杂原子来提供活性位点,优化孔径结构以及复合石墨烯等方法。本文采用生物质稻米作为碳前驱体,通过一系列不同的优化方法,探究和实现电化学性能的提高。论文的主要内容如下:1)首先,通过蒸煮的预处理方式,在稻米颗粒内部形成多孔结构。经高温碳化活化后制备出具有多孔结构的二维碳纳米片,由活化剂在碳层上进一步刻蚀得到微孔和介孔,从而获得具有分级孔径结构的多孔碳材料。经全自动物理吸附仪（BET）测试观察到在850°C下得到最优的孔径分布。实验样品在1 A·g-1的电流密度下具有236.6F·g-1的高比电容,并且在循环10000次之后仍然保留了91.34%的容量,可作为性能良好的超级电容器碳电极材料。2)在以增加赝电容改善碳电极材料电化学性能的部分中,以磷酸氢二胺作为交联剂提高稻米颗粒的成碳比例,通过简单的浸渍活化过程,制备氮磷复合掺杂多孔碳纳米片。其中添加的磷酸氢二胺作为碳纳米片掺杂氮和磷元素的来源。通过X射线光电子能谱（XPS）表征,样品中N、P掺杂量分别达到1.01%和0.15%,相应地电化学性能也得到了明显的提升。在1 A·g-1的电流密度下,杂原子复合掺杂碳电极材料的比电容达到了391.9 F·g-1,并且在循环10000次之后几乎不发生电容损耗。在制备得到的对称超级电容器性能测试中,也达到了15.67 Wh·kg-1的优异能量密度。3)采用简单的激光直写的加工方法,将生物质稻米快速转化为无定形碳和石墨烯掺杂的复合结构。通过调整激光直写工艺参数,实现对无定形碳含量和石墨烯含量比例关系的控制,以得到最佳的复合结构和电化学性能。透射电镜（TEM）、x射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）证实了激光直写过程中石墨烯结构的生成。在未经活化剂活化的情况下,这种无定形碳和石墨烯复合电极材料在电流密度为1 A·g-1时具有90 F·g-1的良好电容性能。
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