【摘 要】
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近年来,碳基超级电容器作为一种新型的能量存储设备,由于其易于产业化、维护成本低、高的功率密度、长的循环寿命等独特的优势,受到了广泛的关注。也正是得益于这些优点,大多数的商用超级电容器主要是通过两个对称的活性炭电极组建而成。然而,有限的比电容和低能量密度阻碍了它们在诸如电动车、智能电网、军工设备之类的高功耗设备中的实际应用。在当前的研究中,杂原子掺杂碳材料由于结合了双电层电容和法拉第赝电容双重的储能
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近年来,碳基超级电容器作为一种新型的能量存储设备,由于其易于产业化、维护成本低、高的功率密度、长的循环寿命等独特的优势,受到了广泛的关注。也正是得益于这些优点,大多数的商用超级电容器主要是通过两个对称的活性炭电极组建而成。然而,有限的比电容和低能量密度阻碍了它们在诸如电动车、智能电网、军工设备之类的高功耗设备中的实际应用。在当前的研究中,杂原子掺杂碳材料由于结合了双电层电容和法拉第赝电容双重的储能特性,加速了超级电容器高性能化的进程。其中,B/N共掺杂作为一种能协同促进杂原子掺杂碳材料性能提升的策略而备受关注。本文以生物质、聚合物分别作为前驱体通过不同的方法制备了两种新型的B/N掺杂多孔碳材料,具体研究内容如下:1)采用新型生物质三七作为前驱体,在硼酸、CuCl2的辅助下,通过一步碳化/活化制备了一种新型B/N共掺杂多孔碳(BNC)。研究发现,利用氯化铜和硼酸进行一步活化不仅促进了杂原子物种的固定,而且促进了碳基体中丰富的微孔和介孔的形成。因此,制备的BNC样品具有较好的孔隙率、较大的比表面积(981.71 m~2 g–1)和丰富的杂原子掺杂(N:10.51 at.%,O:15.38 at.%和B:0.7 at.%)。在6M KOH电解液中,BNC电极在0.5 A g–1时的电容为261 F g–1,在10 A g–1时的电容为172.8 F g–1;其对称超级电容器在5 A g–1的条件下10000次循环中表现出良好的循环性能(电容保持率为93.2%),在100.12 W kg–1的中等能量输出为6.16 Wh kg–1。这些结果表明,B掺杂三七多孔碳具有制备方法简单、电化学性能优越等优点,是一种很有应用前景的超级电容器电极材料。2)以4-甲酰基苯基硼酸和对苯二胺为原料,制备了新型B/N掺杂聚合物前驱体(FPA)。通过Cu Br2一步活化制备了杂原子分布均匀的B/N掺杂多孔碳材料,探讨了活化温度对碳材料表面形貌和化学成分的影响,并用XRD验证了Cu Br2的活化机理。实验结果表明,制备的BNC-800具有较高的产碳率(59.0 wt%)、均匀的杂原子分布、高的比表面积(2714.4 m~2 g–1)和分层的孔隙结构。在6M KOH电解液中,在0.5 A g–1电流密度下,BNC-800电极具有适中的比电容为258.5 F g–1。同时,在5 A g–1时经过10000次充放电循环后,BNC-800对称型超级电容器的比电容仍能保持初始值的97.4%,表现出优异的循环稳定性。
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