EGCG多酚聚合物衍生碳的制备、结构调控和电化学性能研究
在能源危机和碳中和的背景下，如何实现绿色、高效的能源储存和输送已迫在眉睫。锂离子电池虽能提供可观的能量密度但制约于低功率输出，而超级电容器具有较快的功率输出但缺乏高能量储存能力，使得二者不能满足人类对高能量、高功率的双重需求，因此亟需开发出一种能克服上述缺点的储能设备。结合超级电容器快速的功率输出的电容型正极和锂离子电池高的能量储存的电池型负极的锂离子混合电容器，被认为有望作为锂离子电池和超级电容器的替代品。过去二十年内人们对锂离子混合电容器的研究已经取得了巨大进展，然而锂资源稀少且高昂的成本使人们将目光转向与锂元素化学性质相仿、资源更丰富、成本更低廉的钾元素。理论上的钾离子混合电容器应当具备与锂离子混合电容器接近的能量/功率密度和长循环寿命。不幸的是，由于K+远大于Li+的离子尺寸，在钾离子混合电容器内部发生缓慢地动力学和材料大的应变不利于其电化学性能提升。此外，由于电容型正极和电池型负极迥异的电化学储能机理导致了钾离子混合电容器的系统内部动力学不平衡，限制电化学性能提升，进一步阻碍了其在储能方面的应用。因此有必要对钾离子正负极材料和全器件系统进行设计优化，以克服钾离子混合电容器存在的缺陷。 本文分别通过对正负极材料进行特定设计，探索构建高性能钾离子混合电容器的电极材料。以EGCG为有机前体，采用了不同合成优化策略分别制备了一系列EGCG酚醛缩合碳材料和EGCG纳米碳材料，并分别在超级电容器和钾离子电池中测试了电化学性能，通过系统表征分析揭示了EGCG碳分别作为电容正极、电池负极优异性能的来源。据电化学测试结果，以EGCG酚醛缩合活性碳为正极、EGCG纳米碳为负极以及有机电解液组装钾离子混合电容器，并通过合理匹配正负极材料、平衡正负极的容量和全器件的反应动力学，构建了兼具高能量/功率密度的钾离子混合电容器，并取得以下成果： （1）利用F127、P123为软模板、以EGCG和乙二醛为有机体，酚醛缩合制备的前驱体，经高温碳化后再经过KOH刻蚀活化，合成了一系列0.5-4nm孔特征的多孔碳球，在6MKOH水系电解液组装的超级电容器表现出超高的电荷储存能力（287Fg-1，1Ag-1）、优异的倍率性能（201Fg-1，50Ag-1）和超长的工作寿命（20000次循环后93.7%的容量保持率）；在以离子液体[EMIM]BF4作为电解液的对称超级电容器中表现214.8Fg-1的高比电容、优异的倍率性能（30Ag-1，保持初始容量的66.1%）和超耐久的循环寿命。 （2）以EGCG为有机体、碳酸钙为硬模板，通过调节碳化温度制备了一系列EGCG多孔纳米碳，结合XRD和TG分析了EGCG纳米碳的碳化机理。具有丰富的孔道结构、活性位点和“拓宽”的层间距，600℃碳化的EGCaC600在被用作钾离子电池负极材料，原位/非原位的测试表明，在1MKFSI（EC/DEC）中首次放电形成的、均匀稳定包覆在EGCaC600表面、厚度约5nm的SEI提高了离子传输能力和降低了界面阻抗，快速表面电容行为占据主导地位的扩散-电容混合储能机制增强了反应动力学。因此表现出优异的可逆比容量（0.1Ag-1，417mAhg-1），极突出的倍率性能（20Ag-1具有138mAhg-1）以及非凡的循环稳定寿命（稳定2000圈以上）。 （3）优化离子混合电容器的关键在于在提升电化学容量的同时尽可能弥补动力学的不平衡。以AEGP1F1为正极、EGCaC600为负极，通过弥合正负极容量比以平衡动力学的方式构建了四种正负极质量比不同的钾离子混合电容器。其中正负极质量之比为1.5：1的PIHC-1.5具有优异的储能上限（150.7WhKg-1/877.3WKg-1），突出的功率密度（45.8kWKg-1/61WhKg-1）和超长的循环寿命（20000圈保持87.5%）。
钾离子混合电容器;电极材料;EGCG多酚聚合物;活性碳;结构调控;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
杨儒
2022
中文
TM53;TM242
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）