超级电容器层次孔结构电极用纳米球炭的设计与结构调控

本项目提出一种超级电容器用"层次孔结构纳米球炭电极"的设计思想：由电极中粒径数百纳米的炭球紧密堆积形成的大孔、炭球内丰富的中孔和大量的微孔形成"大孔-中孔-微孔"的层次孔结构，实现"大孔储液、中孔输液、微孔储能"的储能模式。这种新型炭电极可望兼有高比容量、高密度和突出的大电流性能。集成水热成球技术、纳米CaCO3 模板法制备中孔炭技术和NaOH活化制备微孔炭技术，制备出粒径在数百纳米、中孔丰富、微孔发达的球形炭材料，并实现其结构调控，验证"层次孔结构纳米球炭电极"的设计思想。通过炭电极电化学性能与其结构的关系研究，揭示影响其电化学性能的本质问题，明确炭球的适宜粒径和炭球中微孔、中孔的适宜孔径及其比例关系，阐明其储能机制，揭示离子在层次孔电极中的存储、输运和储能特性。在此基础上，通过结构设计、性能优化和工艺改进，制备出比电容高、密度大、大电流性能突出的新型层次孔结构电极用纳米球炭材料。

国内外围绕超级电容器核心的多孔炭电极材料的孔结构调控和优化已进行了大量的研究。本项目跳出单纯的材料视角，从实际应用中的电极结构出发，提出了以具有发达微孔和丰富中孔的纳米炭球为电极材料构建“层次孔结构纳米球炭电极”的超级电容器电极结构设计新思想。在以该纳米球形多孔炭为活性物质的电极中，粒径数百纳米的炭球紧密堆积形成的大孔、炭球内丰富的中孔和大量的微孔形成了“大孔-中孔-微孔”的层次孔电极结构，实现 “大孔储液，中孔输液，微孔储能”的储能模式，从而使这种层次孔电极可望兼有高比容量和优异的大电流性能。本项目多途径地探索了层次孔结构电极用纳米球炭的制备方法，验证了“层次孔结构纳米球炭电极”的设计思想，研究了制备工艺对纳米炭球的结构和电化学性能的影响，探明了纳米球炭材料的结构调控方法，获得了具有高比容量和优异倍率性能的纳米球炭电极材料。首次研究了0.55nm的超微孔中的双电层储能行为，构建了电解液离子在层次孔结构炭电极中的储存、迁移和输运的模型。本项目还提出了两种制备具有微孔-中孔-大孔的层次孔结构的粉状电容炭的新方法，即纳米碳酸钙模板-NaOH活化法和NaOH一步活化PVDC/PVDF法，所制备的层次孔炭材料比表面积高，电化学性能优异，且方法简单，便于规模制备。本项目提出的层次孔电极的设计思想对其它电化学储能材料的设计也有借鉴意义。