论文部分内容阅读
如何高效、低成本制备性能优异的电化学储能材料一直是电储能领域的研究热点。对比于材料的传统制备方法,微波合成展现出能源利用率高、快捷高效等优势,被认为是极具潜力的材料合成方法。具有高比表面积、良好导电性以及优异物理、化学稳定性的多孔炭材料是理想的双电层超级电容器电极材料,而具有丰富价态和活泼氧化还原反应活性的过渡金属磷酸盐是性能优异的赝电容电极材料。本论文聚焦于低成本的生物质基多孔炭以及过渡金属磷酸盐的微波快捷合成,研究微波合成工艺对制备的生物质基多孔炭以及过渡金属磷酸盐的形貌、比表面积、孔径及其电化学性能的影响,同时以合成的生物质基多孔炭及过渡金属磷酸盐为电极材料组装对称和非对称超级电容器,并系统评估其电化学性能。（1）采用壳聚糖为炭源与氮源,磷酸为磷源和微波吸收剂,通过高能效的微波热解炭化法在大气氛下制备氮磷共掺杂介孔炭材料。所制备的氮磷共掺杂介孔炭具有理想的比表面积(1203 m2 g-1)和良好的导电性,表面氮、磷掺杂量分别达到3.82%、0.99%。当作为超级电容器电极材料时,组装的电容器表现出良好的电容性能。在0.5 A g-1的电流密度下其比电容达到248.4 F g-1,高于传统热解炭化法制备的对照样品(205.9F g-1)。同时基于氮磷共掺杂介孔炭材料组装的对称超级电容器器件展现出优异的倍率和循环性能,在20 A g-1大电流密度下电容保持率达到88.4%,且经过1 00 0 0次充/放电循环后其电容仅衰减约1.5%。（2）采用壳聚糖为炭源与氮源,多聚磷酸为活化剂、磷源和微波吸收剂,通过强极性非水溶剂辅助微波法制备氮磷共掺杂微孔炭材料。与传统的热解炭化方法相比,微波热解炭化制备的材料具有更大的比表面积(2204 m2 g-1)和更高的大微孔（1 nm≤d≤2 nm）比例,同时也展现出更强的导电性和优异的电荷储存能力。在0.5 A g-1的电流密度下,比电容达到317 F g-1,比传统热解炭化法制备的对照样品高约1.33倍。基于此材料的对称超级电容器装置显示出良好的倍率和循环性能,即使在20 A g-1的大电流密度下,其电容保持率也达到88%,并且经过10000次充/放电循环后器件依旧获得95%的初始比电容。同时,当以离子液体（EMIMBF4）作为电解液,在468.8 W kg-1功率密度下,超级电容器器件的能量密度可达48.6 Wh kg-1。（3）采用无水乙醇为溶剂,乙酸镍和磷酸三甲酚酯为原料,通过微波低温合成工艺在大气氛下制备N iHPO3·H2O材料。所制备材料由微米级别的不规则块体以及直径不超过200 nm的纳米颗粒团聚所组成,比表面积约46.2 m2 g-1。在电流密度为1 A g-1时,材料N iHPO3·H2O的比容量达到905.8 F g-1,并且经1000次充/放电循环后,其可获得73.4%的电容保持率。以该材料作为正极,氮磷共掺杂微孔炭材料为负极组装的混合型超级电容器器件在1 A g-1的电流密度下比电容达到101.5 F g-1。在955.3 W kg-1的功率密度下,所组装的不对称超级电容器能量密度为36.1 W h k g-1,且在8988.8 W kg-1的高功率密度下其能量密度依然达到22.2 Wh kg-1。