目前,锂离子电池和超级电容器作为一次性非再生能源的替代品,成为最具发展前景的新能源,并获得广泛的研究和多领域的应用。绿色环保和可持续发展是今后的发展趋势,要求锂离子电池和超级电容器电极不仅能提供优异的电化学性能,还要绿色环保,所以来源广泛的绿色环保炭材料成为了研究者们关注的重点。炭气凝胶以其大的孔隙率和丰富的介孔结构,特别是可以通过溶胶-凝胶过程实现纳米尺度的可控设计和掺杂,可满足不同储能器件对材料在结构和性能上的要求。因此使用环境友好的碳源制备成炭气凝胶用作储能器件电极材料并通过掺杂方法提高其电化学性能成为了研究中的一项重要工作。本研究分别以壳聚糖和苯胺为前驱体设计合成了高性能储能器件用的氮、硅掺杂的炭气凝胶复合电极材料。首先以天然的生物质壳聚糖作为氮源,以植酸和氧化石墨烯为添加剂,通过植酸的螯合作用将壳聚糖和氧化石墨烯相结合,采用水热、冷冻干燥和炭化活化等过程制备出具有独特三维层状分级多孔结构的氮磷共掺杂炭气凝胶。考察了不同植酸浓度、不同炭化温度和活化过程对氮磷共掺杂炭气凝胶结构和性能的影响,设计合成出电化学性能优异的氮磷共掺杂炭气凝胶超级电容器电极材料。其次,本研究以苯胺为前驱体,植酸和过硫酸铵作为添加剂,通过原位聚合和冷冻干燥的方法将纳米硅包覆在聚苯胺气凝胶中,进一步采用高温炭化的方法制备了炭气凝胶包覆纳米硅复合材料。采用不同测试手段对炭气凝胶包覆纳米硅材料的形貌结构和电化学性能进行了研究,对今后进一步研究大容量、高性能的锂离子电池负极材料奠定了基础。主要研究结果表明:(1)在植酸添加量为2.0mL时,炭化后的气凝胶复合材料作为超级电容器电极时具有最优异的电化学性能。在0.5A·g-1的电流密度下比电容为178 F·g-1;当电流密度增大到10 A·g-1时,其比电容为99 F·g-1,电容保持率为55.6%。对于活化后的材料来说,当植酸添加量为1.5mL时,气凝胶复合材料作为超级电容器电极时具有最优异的电化学性能,其比电容在0.5 A·g-1的电流密度下为119 F·g-1当电流密度增大到10 A·g-1时,其比电容为112 F·g-1,电容保持率为94.1%。(2)以植酸添加量为1.0 mL的氮磷共掺杂炭气凝胶为例,比电容在炭化温度为1000℃时达到最大。电流密度为0.5A·g-1时,样品比电容为148 F·g-1,当电流密度增大到10 A·g-1时,其比电容为100 F·g-1。电容保持率为67.6%,具有比较优异的倍率性能。(3)研究中制备的炭气凝胶包覆纳米硅材料作为锂离子电池负极时,在50 mA·g-1下的首次充电比容量和首次放电比容量分别为1506 mAh·g-1和1239 mAh·g-1,其首次库伦效率为82.3%。50次循环后,可逆容量为1215 mAh·g-1。当电流密度增大到3.0 A·g-1时,可逆容量仍能保持231 mAh·g-1。当电流密度恢复到50 mA·g-1时,可逆容量能回到1113 mAh·g-1,说明炭气凝胶包覆硅有较为优异的电化学性能。