高性能锌离子混合电容器碳正极材料的设计与优化

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目前,人们将更多的注意力集中在先进储能系统上。新能源汽车的蓬勃发展也使人们对新型储能装置有了更多的需求。价格合理且安全环保的混合电容器是一种集超级电容器和电池的优点于一身的新型电化学储能装置。其中锌离子混合电容器因其采用的金属锌负极资源丰富、成本低、没有腐蚀性和毒性等优点成为目前研究的热点之一。合理设计和优化杰出的电容型正极材料是实现锌离子混合电容器高效率蓄电的关键。本文的主要研究内容和成果如下:(1)采用改进的溶剂挥发自组装法,以植物多酚单宁酸为碳源,成功制备了有序介孔碳(TOMCs),通过考察材料的孔结构和电化学性能优化了醇水比和热解温度,制得的TOMC-3-700拥有高比表面积(967 m2 g-1),以及长程有序的介孔结构。构建的Zn//2M ZnSO4(aq)//TOMC-3-700 ZIHC器件在保持高能量密度(148.85 Wh kg-1,180 W kg-1)的情况下,其容量在循环10000次之后还能保持初始值的85.7%。另外,当功率密度为180 W kg-1时,所组装的全固态Zn//PAM-ZnSO4(gel)//TOMC-3-700 ZIHC 还可以得到 121.25 Wh kg-1 的能量密度。(2)在上述研究工作的基础上,以尿素为氮源合成了氮掺杂介孔碳材料(NTMCs),设计和优化了尿素的用量,制得的NTMC-1材料具有较大的比表面积(990 m2 g-1)和良好的介孔结构。Zn//2M ZnSO4(aq)//NTMC-1 ZIHC器件在保持高比电容(454.56 F g-1,0.2 A g-1)、超高能量密度(204.55 Wh kg-1)和高功率密度(18 kW kg-1)的情况下,容量保持率还能在循环10000次之后维持在88.34%(5 Ag-1)。(3)采用熔融盐辅助法,以甲壳素(chitin)为碳源,NaCl为模板以及NaNO3为刻蚀剂制备分级多孔碳材料(CnNNm-x-y-z)。通过设计L9(34)正交实验,以比表面积和孔容值为优化评价指标,系统地探究chitin/NaNO3质量比、热解温度、热解时间和升温速率对材料孔结构以及电化学性能的影响。合成了具有大比表面积(1256 m2 g-1)和孔容(0.785 cm3 g-1)的 C2NN1-800-1-5 材料。Zn//2M ZnSO4(aq)//C2NN1-800-1-5 ZIHC 器件在具有更高的输出能量(133.4 Wh kg-1,180 W kg-1)的同时,还拥有更长的使用寿命(循环10000次后,容量保持率仍然是100%)。
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