论文部分内容阅读
随着锂离子电池、锂离子电容器和超级电容器等绿色电化学储能装置的快速发展和全球化，人们需要对储能设备的成本，可持续性和环境友好性等方面进行考虑。生物质衍生的碳材料具有丰富的储量，良好的化学稳定性，低成本和优异的电导率等优势，其作为高性能的能量存储材料已被广泛研究。在这项研究中，我们以海藻为碳前驱体，用不同的制备方法制备了具有特殊形貌的生物质衍生碳材料，并将其用作锂离子电池，锂离子混合电容器的正极和负极的新型正极和负极材料，以及用于水性和离子型液体超级电容器的电极材料。详情如下:
(1)以海藻为原料，将其热解并随后活化。经过两步合成的海藻衍生的多孔碳，其保留了良好的固有结构，并包含一些源自海藻的氮，氧和硫官能团。该多孔碳为硬碳，保持了海藻样品的原始片状形态，并且材料中具有明显的空腔，由于表面含有丰富的氮和氧官能团，同时该多孔碳具有一定的赝电容效应。此外，我们还研究了样品的合成条件与孔隙率之间的关系。碳化样品在600℃，氮气气氛下，m(KOH)/m(C)，碱碳质量比为3，进一步活化的比表面积为2129m2g-1，最大孔体积为1.024cm3g-1。在双电层电容器中，两步合成的海藻衍生的多孔碳在6MKOH的水性介质中表现出优异的电荷存储性能。其中，以碱碳质量比为3，制备的样品同时具有良好的速率性能和循环性能。在0.5A g-1的电流密度下其比电容为187.2F g-1，而碱碳质量比为4的样品，在0.5A g-1的相同电解液浓度的三电极系统中显示出506.5F g-1的比电容。
(2)在水介质中将海藻与KOH混合，并在氮气氛中进一步热处理以制备一步法衍生的多孔碳。一步合成的海藻衍生多孔碳具有不同于原始前体结构的3D海绵状结构。而且，合成材料包含一些源自海藻的氮，氧和硫官能团。由海藻制成的无定形多孔碳具有3D骨架以及材料本体中相互连接的空腔。合成样品的最终形状与海藻的主要形态完全不同，并且表面含有丰富的氮和氧官能团。随着m(KOH)/m(C)的增加，BET比表面积减小。碳化后的样品在600℃时的比表面积为1109m2g-1，当碱碳比为0.5时，进一步活化，最大孔体积为0.637cm3g-1。在EDLC中，一步合成的海藻衍生多孔碳在6M KOH的水性介质中表现出优异的电荷存储性能。其中，SWG-0.5同时具有良好的速率性能和循环性能。在0.5A g-1的电流密度下，其比电容为122.4F g-1，而在0.5A g-1的三电极系统和相同的电解质下，其比电容为358.5F g-1。此外，在EDLC中，两步合成的海藻衍生的多孔碳在离子液体中表现出优异的电荷存储性能。其中，SWG-0.5具有良好的倍率性能，为197.7F g-1。
(3)我们组装并测试了由海藻制成的多孔碳，并将其用作锂离子电池的正极和负极以及锂离子混合电容器。ASW-4阳极材料在0.1A g-1的电流密度下显示出1150mAh g-1的容量，而经测试的ASW-3在相同的电流密度下显示出240mAh g-1的比容量。在以1A g-1的电流密度进行4000和5000次充电/放电循环后，阳极保持其原始容量的96.1％和77.3％，在以5A g-1的电流密度进行1000和2000次充电/放电循环后，它分别保持了其产能的78.6％和66.7％。ASW-3阴极在5A g-1下经历4000次循环，在1000次循环后保持92.7％，在4000次CDC循环后保持70.0％。所得的ASW-4//ASW-3不对称LIHC表现出出色的能量特性。在81.4和990.5W kg-1的功率密度下，它分别具有123.2和76.1Whkg-1的高能量密度。更重要的是，ASW-4//ASW-3非对称LIC设备显示了最新的循环性能。在10A g-1下循环5000次后，容量明显保持在接近100％的水平，与当前的最新LIHC相比，它表现出更优越的电性能。
(1)以海藻为原料，将其热解并随后活化。经过两步合成的海藻衍生的多孔碳，其保留了良好的固有结构，并包含一些源自海藻的氮，氧和硫官能团。该多孔碳为硬碳，保持了海藻样品的原始片状形态，并且材料中具有明显的空腔，由于表面含有丰富的氮和氧官能团，同时该多孔碳具有一定的赝电容效应。此外，我们还研究了样品的合成条件与孔隙率之间的关系。碳化样品在600℃，氮气气氛下，m(KOH)/m(C)，碱碳质量比为3，进一步活化的比表面积为2129m2g-1，最大孔体积为1.024cm3g-1。在双电层电容器中，两步合成的海藻衍生的多孔碳在6MKOH的水性介质中表现出优异的电荷存储性能。其中，以碱碳质量比为3，制备的样品同时具有良好的速率性能和循环性能。在0.5A g-1的电流密度下其比电容为187.2F g-1，而碱碳质量比为4的样品，在0.5A g-1的相同电解液浓度的三电极系统中显示出506.5F g-1的比电容。
(2)在水介质中将海藻与KOH混合，并在氮气氛中进一步热处理以制备一步法衍生的多孔碳。一步合成的海藻衍生多孔碳具有不同于原始前体结构的3D海绵状结构。而且，合成材料包含一些源自海藻的氮，氧和硫官能团。由海藻制成的无定形多孔碳具有3D骨架以及材料本体中相互连接的空腔。合成样品的最终形状与海藻的主要形态完全不同，并且表面含有丰富的氮和氧官能团。随着m(KOH)/m(C)的增加，BET比表面积减小。碳化后的样品在600℃时的比表面积为1109m2g-1，当碱碳比为0.5时，进一步活化，最大孔体积为0.637cm3g-1。在EDLC中，一步合成的海藻衍生多孔碳在6M KOH的水性介质中表现出优异的电荷存储性能。其中，SWG-0.5同时具有良好的速率性能和循环性能。在0.5A g-1的电流密度下，其比电容为122.4F g-1，而在0.5A g-1的三电极系统和相同的电解质下，其比电容为358.5F g-1。此外，在EDLC中，两步合成的海藻衍生的多孔碳在离子液体中表现出优异的电荷存储性能。其中，SWG-0.5具有良好的倍率性能，为197.7F g-1。
(3)我们组装并测试了由海藻制成的多孔碳，并将其用作锂离子电池的正极和负极以及锂离子混合电容器。ASW-4阳极材料在0.1A g-1的电流密度下显示出1150mAh g-1的容量，而经测试的ASW-3在相同的电流密度下显示出240mAh g-1的比容量。在以1A g-1的电流密度进行4000和5000次充电/放电循环后，阳极保持其原始容量的96.1％和77.3％，在以5A g-1的电流密度进行1000和2000次充电/放电循环后，它分别保持了其产能的78.6％和66.7％。ASW-3阴极在5A g-1下经历4000次循环，在1000次循环后保持92.7％，在4000次CDC循环后保持70.0％。所得的ASW-4//ASW-3不对称LIHC表现出出色的能量特性。在81.4和990.5W kg-1的功率密度下，它分别具有123.2和76.1Whkg-1的高能量密度。更重要的是，ASW-4//ASW-3非对称LIC设备显示了最新的循环性能。在10A g-1下循环5000次后，容量明显保持在接近100％的水平，与当前的最新LIHC相比，它表现出更优越的电性能。