超高体积比电容微纳米石墨化碳球的设计合成及其储能研究

High volumetric performance such as volumetric capacitance and volumetric energy density is highly desired for supercapacitors to meet the demand of portable and ultrathin devices due to the size and space limitations. Generally, the gravimetric capacitance can be efficiently enhanced through increasing the specific surface area, while the high volumetric capacitance predominantly depends on the effective electroactive sites within certain volume. The current carbon-based electrode materials all suffer from a low volumetric specific capacitance, most of which is below 200 F/cm3. Our recent work suggested that, the volumetric specific capacitance can be improved to 521 F/cm3 by doping F and N element into the carbon microspheres. On this basis, this research will focus on the exploration and systematic study of doped micro/nano carbon spheres electrode materials with ultrahigh volumetric capacitance. Specifically, doped micro/nano carbon spheres with certain morphology will be synthesized by adopting proper precursors in mild conditions. The specific surface area and pore size distribution will be modified through activation. The growth mechanism of micro/nano carbon spheres will be investigated, and the relationship between the capacitance property and the microstructure, volumetric density as well as the doping elements will be revealed. Finally, this project is determined to realize a synthesis of carbon spheres electrode materials with ultrahigh volumetric capacitance targeting reproducible large scale production for practical applications.

由于体积所限，便携式和超薄电子装置对超级电容器提出更高要求:体积比容量、体积能量密度等成为重要指标。增大电极材料比表面积是提高质量比容量的有效途径，然而提高体积比容量则是要求提高单位体积电极材料的性能。目前碳基电极材料的体积比容量普遍偏小，一般在200F/cm3以下。我们最近的工作显示F和N掺杂的微米碳球可将体积比容量提高到521 F/cm3以上。以此为基础，本项目将致力于高体积比容量掺杂微纳米碳球电极材料的探索与研究。本研究拟选择合适的前驱体，采用相对温和的合成条件制备具有特定形态的微米和纳米碳球。通过改变活化条件，调控微纳米碳球的比表面积和孔径分布。同时利用掺杂原子对碳球进行改性。研究微米和纳米碳球的生长机理和合成规律, 探究其结构、掺杂、密度等与电容性能之间的关系，揭示提高体积比容量的控制规律。实现高体积比容量碳球电极材料的高产量、可重复生产。

超级电容器因其具有高的功率密度和良好的循环稳定性，成为一种新型的能量存储装置。由于体积所限，便携式和超薄电子装置对超级电容器提出更高要求:体积比容量、体积能量密度等成为重要指标。增大电极材料比表面积是提高质量比容量的有效途径，然而提高体积比容量则是要求提高单位体积电极材料的性能。目前碳基电极材料的体积比容量普遍偏小，一般在200F/cm3以下。本项目制备了一系列的新型碳基电极材料。通过实验设计分别得到了不同杂原子掺杂、不同形貌与结构、不同孔径分布的多孔碳材料。采用循环伏安法和充放电测试，研究了碳基材料的形貌、结构、比表面积、孔径分布等因素对碳基材料超级电容器性能的影响。揭示了杂原子掺杂和纳米材料的结构与电化学性能之间的关系。其中氮掺杂的活性炭（MAC-N-0.5）电极材料表现出了最高的质量比电容和体积比电容，其在电流密度为0.2A g-1下，分别具有385F g-1和573F cm-3的体积比电容，同时，MAC-N-0.5在20A g-1的电流密度下的体积比电容为495F cm-3，容量保持率为88.2%，并且循环充放电10000次，展示出极高的稳定性，以此组装成对称型双电极超级电容器，该装置在体积功率密度12.1KW/h，依然得到了一个较高的体积能量密度13.5Wh/L，具有高的功率性能，是一种有前途的能量存储装置。 以单一的有机溶剂乙腈为原料制备出一种易于合成、可大量生产的含氮量高的碳材料，工艺简单且副产物可以循环使用。对前驱体碳氮材料进行化学活化获得一种多孔碳氮材料（N-AC）。多孔碳氮材料（N-AC）的体积比电容是商业活性炭将近3倍，同时，制得的N-AC在5A g-1的电流密度下进行循环充放电10000次，其电容量几乎没有损失，展示出极高的稳定性。由于简单的合成方法和具有优异的电化学性能，使N-AC有望替代商业活性炭作为新型的超级电容器电极材料。