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超级电容器,因其能够瞬间释放较大的功率并且具有较小的危险性,使其在便携式电子设备、混合动力汽车和智能能源系统等方面具有潜在的开发空间。电极材料中活性物质对超级电容器的电荷储存能力起到导向性的功效,在所有碳基材料中,生物质碳材料由于具有特殊的内在结构及丰富的杂原子官能团等优点而被广泛研究。本论文中,以多种生物质为碳源前驱体,通过高温碳化、碱活化、水热活化等方法制备具有独特结构的多孔生物质基碳材料及其复合材料,旨在有效提升其电荷储存能力。以下为主要研究内容及结论:(1)肠衣基分层多孔碳材料(LPACs)的合成及其超电容行为研究。以肠衣为前驱体,通过碳化—KOH活化两步法,制备富氮分层多孔活性碳材料(LPACs)。寻求KOH和LPC质量比对肠衣基碳材料电荷储存能力的影响规律,并探究LPACs的层状结构与其电化学行为之间的构效关系。结果表明,分层多孔碳材料保留了肠衣原有的分层结构,出现大量的孔及孔道,且随着KOH 比例的增大,LPACs的比表面积和平均孔径也增大而氮元素含量减少。独特的孔道相连的分层结构能够提供更多的离子传输通道,加快电荷累积,同时,可以改善电极/电解液界面的接触状态,提高了电活性材料利用率。丰富的氮官能团能够通过氧化还原反应提供额外的赝电容,从而使肠衣基碳材料具有较好的能量储存性能。样品LPAC-4(KOH与碳化肠衣的质量比为4:1时的产物)的电容性能最好,在0.5 A g-1时测试肠衣基碳电极,其电容量储存达到307.5 F·g-1;在电流密度为2 A-g-1下GCD循环5千次后,容量保持率高达92.9%,说明其具有较高的电容储存性能和良好的循环耐久性。LPAC-4//LPAC-4对称器件使用LPAC-4作为两电极活性物质,功率密度为297 W-kg-1,相对应的能量密度高达11.6Wh·kg-1。(2)芦苇膜基多孔层状碳材料的制备及超电容性能研究利用水热—碳化两步法,以芦苇膜为前驱体制备独特多孔片层堆积的碳材料(RHC)。探讨水热活化法对芦苇膜碳材料电荷储存能力的影响规律,并剖析RHC多孔层状构造与其电容行为之间的构效关系。结果表明,水热活化过程中,芦苇膜的层结构有利于KOH高效传质进入芦苇膜内部,进行充分活化,不仅大幅降低KOH用量,而且缓解后续碳化过程中层状结构堆叠团聚。此外,相互连通的孔结构和层状结构能够提供更大的活性表面积、提高离子扩散动力学,从而能够确保碳材料具有较好的倍率特性和循环稳定性。电化学结果显示,多孔层状碳材料具有较高的电荷储存能力(0.5 A·g-1时电荷量储存达到353.6 F·g-1)、较好的倍率特性(从0.5 A·g-1到10 A·g-1,电容量储存为76.9%的初始保持率)以及出色的循环耐久性(循环充放电5千次后,容量储存为初次的96.4%)。RHC//RHC对称器件是将RHC作为两电极活性物质,最大能量密度为11.6Wh·kg-1(210 W·kg-1),GCD充放电5千次后,电容保持率高达99.0%,能量效率约为80%。(3)多孔T-Nb205/EW复合材料的制备及电容行为研究。通过水热—退火两步法,合成独特结构的T-Nb205/EW球状复合材料。阐明蛋清碳对T-Nb2O5/EW能量储存能力的影响,并分析T-Nb205/EW结构与其能量储存行为之间的构效关系。表征分析可知,蛋清的存在能够有效的缓解Nb2O5纳米粒子的堆叠团聚,提高复合材料的导电性,从而高效利用电活性材料。此外,T-Nb205/EW的特殊结构不仅能增大活性物质的有效比表面积,还能促进锂离子快速嵌入/嵌出并确保电解液离子快速扩散。通过电化学分析,T-Nb205/EW电极从0.1 A·g-1增加到5 A·g-1时,容量储存能力仅下降了 49.3%,且0.8 A·g-1时GCD充放电1千次后,T-Nb2O5/EW电极保持了 88.1%的第一次电容量。构筑T-Nb2O5/EW//EWC全电池,其拥有较高的能量密度(67.2 Wh·kg-1)、功率密度(8750 W·kg-1)及较好的充放电耐久性(GCD充放电3千次后,持有82.1%的初次能量储存能力)。