葛根衍生炭的制备及储能性能的研究
能源对现代社会的发展是十分重要的，然而过度依赖燃烧化石燃料来生产能源将会对全球经济和生态产生严重影响。在“双碳”的背景下，对环境友好、高性能的可再生能源存储设备的需求不断增加。由于超级电容器具有高功率密度、快充放电速度和长循环寿命，而成为最具前途的能源存储设备之一。然而，受限于电极材料不合理的孔结构及较低的比表面积,导致其较低的比容量和能量密度。此外，钾离子混合电容器是一类在理论上可以结合超级电容器和离子电池各自优势，兼具高能量密度和功率密度的混合储能设备，但由于K+较大的尺寸，致使诸如石墨等常规的负极材料用于K+存储时会造成严重的体积膨胀，从而导致较低的容量和不佳的动力学。本论文以葛根基水热炭微球和氮掺杂多孔炭为研究基础，分别设计并制备了电容型和电池型材料，借助系统表征研究了合成条件对多孔炭材料结构的影响规律，揭示了其结构特征与电化学性能之间的内在联系,阐明了多孔炭作为电容及电池型材料的储能机制，为钾离子混合电容器的优化和发展提供了有价值的参考依据。取得的主要成果如下: （1）以生物质葛根粉为碳源，通过水热预炭化和KOH活化的方式制备了系列多孔炭微球，其中碱炭质量比为4的样品GFHC-4K得益于兼具微孔/介孔的分层多孔结构、超高比表面积（2846m2g1）和极大孔容（Vtotal=1.310cm3g-1）,在三电极体系测试中表现出出色的性能。组装对称超级电容器，以6MKOH作为电解液，呈现出超高的比容量（0.5Ag-1，293Fg-1）,在30Ag-1下仍有169Fg-1的比容量,并具备优异的倍率性能。经历20000次循环，依然能够保持90.3％的容量。以EMIMBF4作为电解液，0.5Ag-1下具有181Fg-1的比容量，在5Ag-1下仍能保持123Fg-1的比容量，输出76.6Whkg-1的极限能量密度和10.2kWkg-1的最大功率密度。 （2）以石墨相C3N4（g-C3N4）为氮源及致孔剂，葛根粉为碳源，通过糊化混合、冷冻干燥并加以炭化，制备了宽层间距（4.09?）、高掺氮量(13.7％)、兼具介孔/大孔的多孔炭材料。详细研究了石墨相C3N4与葛根粉混合比例对多孔炭材料比表面积及孔隙结构的影响，其中质量比为1∶1的炭化样品GFNPC-1作为钾离子电池负极，表现出可观的储钾容量(0.1Ag1,330mAhg-1),在5Ag-1的大电流密度下仍可保持140mAhg-1的可逆比容量，在2Ag-1下循环1000次，仍然具有196mAhg-1的高比容量，容量保持率达88％,具有良好的循环性能。 (3)以葛根粉生物质基多孔炭微球和葛根粉/g-C3N4多孔炭材料为正负极材料，组装非对称双碳基电极钾离子混合电容器。GFHC-4K作为电容型正极，GFNPC-1为电池型负极，调节正负极材料活性物质质量比，成功改善了正负极的容量差异及动力学的不平衡性。质量比为1.5∶1的钾离子混合电容器PIHC-1.5表现出了107Whkg-1/8.2kWkg-1的极限能量/功率密度和优异的循环稳定性。
多孔炭材料;超级电容器;氮掺杂;储钾机制;储能性能
北京化工大学
硕士
材料与化工
杨儒;杨栎生
2023
中文
TM24;TM53
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）