生物质炭材料结构和形貌的综合调控及选择性储能

Biomass-derived carbon materials have attracted extensive attentions in energy storage field because of their abundance and low cost, while the investigation of the application for the energy storage has existed some randomness and contingency. According to the relationship between the structure and energy storage, the most suitable way for energy storage has not been systematically investigated. Based on some differences of the precursors, the surface features, configuration characteristics and charge distribution of carbon materials will be improved for selective applications for electrode materials in different energy storage devices by the comprehensive regulations for the microstructure and morphology of biomass carbon materials. The demand of different energy storage devices on the microstructure and morphology of materials will be discussed by investigating the stability and integrity of the precursor structure and the effects of different treatment methods on the surface characteristics and microstructure of carbon materials. Combined with the electrochemical performance, the interaction between the treatment process, morphology and performance of materials will be explored to realize the comprehensive regulations of treatment process, and selectively exploit high performance electrode material for appropriate energy storage devices. The successful implementation of the project will not only provide a reliable theoretical basis for the selective energy storage of biomass carbon materials, but also provide an effective way for the application of solid waste resources.

生物质炭材料因资源丰富、价格低廉，在储能方面的研究活跃，但研究随机性、偶然性大，从其结构形貌与储能方式间的对应关系，寻找最合适的储能方式，并没有进行系统地探讨。本项目以生物质炭材料结构与形貌的调控为切入点，针对前驱体表面特性和微观结构差异大的特点，采用多样化调控对炭材料进行综合处理，改善其表面特性、形貌结构和电荷分布，以储能器件对电极材料结构性能的要求为基础进行选择性储能。考察前驱体结构的稳定性和完整性，探索调控手段对炭材料表面特性和微观结构的影响，掌握不同储能方式对材料结构形貌的需求。结合宏观电化学性能，探讨工艺、结构形貌和宏观电化学性能之间相互作用的藕合关系，实现生物质炭材料结构形貌的综合调控，选择性地制备出高性能电极材料应用于与之相适应的储能器件，即选择性储能。本项目的成功实施将为生物质炭材料选择性储能提供了可靠的理论依据，也为固体废弃物的资源化应用提供了有效途径。

生物质衍生炭材料因其具导电性高、表面积大、成本低及利用率高等优点，在新能源储能领域广泛应用。本项目通过反复浸渍法、蒸发自组装发、低温水热法、超声雾化和化学沉淀等方法制备生物质衍生活性炭材料，研究其在新能源储能器件电极材料中的应用。.以植物蛋白为碳源，通过蒸发自组装法制备的三维多孔泡沫青蛙卵状结构的Li3V2(PO4)3/C复合材料。研制出的Li3V2(PO4)3/C复合材料具有良好的倍率性能，在3.0-4.3 V电压范围内，15 C的高倍率下仍然具有高达100 mAh/g的比容量。.分别以棉花、香蒲、木蝴蝶和蒲公英为碳源和基体，通过反复浸渍法制备得到了多种Li3V2(PO4)3/C多孔复合材料。多孔结构使正极材料具有更大的比表面积并提供有效的传输通道，使Li+传输速率加快并能够进行良好的可逆性脱出和嵌入。.以茶籽为生物质碳源，通过酸洗预处理去除杂质，再通过KOH化学活化处理，成功地合成了类石墨烯和绳状多孔碳材料。通过水热法和高温活化法制备了坚果壳基新型生物质碳材料。茶籽基及坚果壳基碳材料均拥有高的有效比表面积，丰富的介孔体系结构，适宜的多级孔隙结构，使得它们在超级电容器的应用中有着显著的优势。.用超声雾化和化学气相沉积法，利用大豆渣为原料成功合成了氮/硫共掺杂有序碳纳米阵列结构的锂硫电池正极材料（NS-OCNA/S）。所制备的NS-OCNA/S具有多级孔隙、较大的表面积以及合适的氮含量，这些优良的物理性质提高了硫的负荷量，并提供了较强的化学吸附能力，使其可以在电化学反应过程中有效地抑制多硫化物的溶解，提高离子传输速率，进而取得了极其优越的电化学性能。.本项目以来源广泛、价格价廉、环境友好的生物质炭材料为研究对象，采用表面改性、结构诱导和杂原子掺杂的方法对炭材料进行改性处理，实现材料结构形貌的综合调控；根据不同的储能器件对电极材料的要求，通过电化学方法和手段，解析电极反应的动力学参数和界面效应，阐明电子传导和离子传输的电化学扩散机理，系统地研究其工艺-结构-性能之间的构效关系，实现选择性储能。