高性能碳质电极材料的制备方法及储能研究文献综述

 2022-11-22 16:42:42

文 献 综 述

  1. 前言

消费电子产品，尤其是智能设备的大规模普及需要高能量密度和持久的电源。这些智能电子设备，如移动电话、平板手机、平板电脑、手表、腕带、钥匙链等。到目前为止，在各种能量存储设备中，锂离子锂电池因其具有较高的重量能量密度而引起人们的广泛关注。然而，锂离子电池仍然存在低功率密度和慢能量传输的问题。

因此，储能市场应进一步发展其他适用设备。需要高能量密度的轻重量和环保储能设备。超级电容器(SCs)是最适合这种应用的能量存储设备，因为它的能量密度和功率密度分别高于锂离子电池。超级电容器(SCs)由于其充放电速率快、循环寿命长、适应恶劣环境的能力强等优点而获得了广泛的关注。原则上，SCs可以在其需要上提供高功率密度和速率响应。然而，低能量密度是SCs普遍存在的一个弱点。在SCs电极材料中，具有刚性微结构的多孔碳在充放电过程中循环性能最好。此外，碳材料的低成本、化学惰性、大比表面积和可调节孔径等独特特性使其成为很有前途的SCs候选材料。因此，科研人员通过开发新型储能材料，优化具有高运行潜力的电解质，努力提高能量密度能力。

  1. 国内外现状

首先对碳质电极材料制备方法及储存性能的相关文献进行梳理并进行综述，然后归纳在不同的电极材料制备方法及其储存性能存在的差异，分析其中的不足之处，并以此作为本文的研究起点。

魏伟、谢明江等人首次采用以石墨氮化碳为催化剂、模板和氮源的多用途方法制备了氮含量高、氮分布均匀的分级富氮多孔碳(HNPCs)。作为水对称超级电容器的电极材料,973K温度下的HNPCs展品性能优良的超高能量密度，从1.0到20 A/g的电容保留率为78%；循环10 000次后电容保留率超过95%展现出了优异的循环稳定性。[1]

刘天一等人通过致密细菌纤维素(BC)前驱体一步碳化/活化，然后氮/硫双掺杂制备具有超高集成电容的超微孔碳。微孔碳具有高度富集的微孔和大量的亚微孔。独特的多孔结构提供了高比表面积(1554 m2 gminus;1)和堆积密度(1.18 g cmminus;3)。特殊的多孔结构和最佳掺杂的协同效应有效地增强了离子存储和离子/电子传递。结果表明，在高电流密度为10 A gminus;1 (327 F gminus;1和385 F cmminus;3)的情况下，该薄膜具有优异的循环和速率稳定性，包括超高的重量和体积电容(0.5 A gminus;1时430 F gminus;1和507 F cmminus;3)。[2]

王永正等人以油茶残渣为原料，采用微波辅助活化法制备了介孔碳纳米片。微波处理的特殊活化机制使介孔碳（MAC）具有较大的表面积(1726 m2/g)和高氧含量(16.2 wt%)。作为超级电容器的电极，其比电容达到367 F/g (在0.5 A /g下)。循环稳定性好，连续充放电10000次后电容保持率为99%，是一种很有前景的储能电极。此外，该方法简单、通用性强，也可应用于其他电化学活性功能化多孔炭材料的合成。[3]

林峰等人开发了一种无酸、无氧化剂、绿色的盐渍海藻制备富氧多孔电活性炭（OPEC）工艺。采用廉价且可回收的氯化钠作为海藻的孔隙填料，有效抑制碳质骨架的收缩。在电解液为1.0 M H2SO4，温度为800℃的条件下，得到的OPEC不仅比表面积为3293 m2gminus;1，而且具有0.8-2.0 nm的微孔结构。在三电极系统中，当电流密度为0.50 A gminus;1时，比电容为324.3 F gminus;1(比表面积电容为98.5mu;F cmminus;2)。在双电极系统中，当功率密度为175.0 W kgminus;1时，其高氧含量为19.1%，工作电压窗宽为0.0 ~ 1.40 V，吸引能量密度为15.9 W h kgminus;1。此外，它还显示了优异的循环稳定性(98%，10000次循环)和良好的速率性能。[4]

刘若兰等人以甲壳素为原料，利用高锰酸钾作为活化剂和模板前驱体，配合氨基和羟基，合成杂原子掺杂的分级多孔碳。优化后的分级多孔炭材料(HPC700)具有较大的比表面积、分级多孔骨架和众多的氮、氧官能团。结果表明，HPC-700电极在0.5 A gminus;1时比电容达到412.5 F gminus;1，具有良好的倍率特性和良好的电化学稳定性(循环10000次后损耗仅为0.4%)。这一研究为超级电容器用的多级多孔碳材料的制备提供了一种新的、简便的方法。[5]

王群，秦斌等人成功地从生物油中合成了具有独特互连结构的氮掺杂多孔碳纳米片(NPCS)。优化后的样品比表面积为2566 m2g-1、具有较大的孔体积(2.108 cm3g-1)。此外，该电极具有良好的循环稳定性，循环10000次后电容损耗仅为3%。这些结果突出表明，制备的样品具有相当大的潜力，可用于低成本和可再生能源存储设备。[6]

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