锌离子电容器正极碳基材料结构调控及性能研究.pdfVIP

：2023年6月

化石燃料的大量使用不仅造成了严重的环境污染，而且对社会能源需求带来了极大的压力，

研究开发新型储能材料和器件尤为重要。近年来，由电容型正极和电池型负极构筑的低成本新型锌

离子混合电容器，因其具有优异的储能性能自经问世就得到了广泛关注。锌离子混合电容器借助于

锌离子储能体系中金属锌负极的反复剥离-沉积（氧化-还原）和正极的不断吸附-脱附过程来进行电

化学能量存储。这种混合储能机制使装置在具有高比容量输出的同时还保持着优异的安全性和

循环稳定性，为未来的高性能储能技术提出了一个全新的解决方案。但是，锌离子电容器仍

然存在能量密度低和正负极电化学反应不匹配的问题。因此，亟待研究正负极相匹配的锌离子

电容器电极材料。本文通过设计和构筑新型碳材料作为锌离子电容器的正极材料，与锌负极组装

构建锌离子电容器，并研究了其结构与性能的关系。主要研究结果如下：

（1）通过在碳纳米棒上原位生长金属有机框架（MOF）材料，构筑出氮掺杂金属有机框架

NMDPCNMDPC

衍生多孔碳（）正极材料。由正极和锌金属负极组装成锌离子混合电容器

ZHCNMDPC-700

（）。研究发现，由于氮掺杂、优良的孔隙结构和高比表面积，材料表现出高

比电容、高能量密度和良好的循环稳定性等优异的电化学性能。具体如下：该ZHC在电流密度

为0.5Ag-1时表现出255.6Fg-1的高比电容和90.88Whkg-1的高能量密度，并且在电流密度为10

Ag-1时，经过10,000次循环后仍表现出97.8%的高容量保持率。本研究不仅制备了性能优良的

多孔碳正极材料，改善了锌离子混合电容器的电化学性能，而且为ZHC用碳基纳米材料的设

计构筑提供了理论指导。

2TiC

（）通过以为原料，磷酸氢二铵提供氮源和磷源，通过水热法便捷高效的合成一种新

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型的氮磷共掺杂TiC纳米片（TiC-N,P）。由TiC-N,P正极和锌金属负极组装成锌离子混合电

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容器（ZHC）。研究发现，由于氮原子和磷原子掺杂使MXene材料拥有更大的层间距和更多的

晶格缺陷，TiC-N,P材料表现出高比电容、高能量密度和良好的循环稳定性等优异的能量存储

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-1-1

性能。具体如下：该ZHC在电流密度为0.5Ag时具有238.95Fg的高比电容（远高于未掺杂MXene

的62.68Fg-1）和43.89Whkg-1的高能量密度，并且在5.75kWkg-1的高功率密度下装置的能量密

–1-1

度仍然能够达到29.87Whkg。在电流密度为10Ag时，ZHC连续充放电10000次后仍表现出

95.2%的优异的电容保持率。本研究不仅制备了性能优良的氮磷共掺杂TiC正极材料，提高了

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锌离子混合电容器的能量存储性能，而且为ZHC用正极材料的设计构筑提供了一种有效策略。

碳材料；超级电容器；能量密度；储能

I

ABSTRACT

Themassiveuseoffossilfuelsnotonlycausesseriousenvironmentalpollution,butalsoputs

greatpressureontheenergydemandofsociety,soitisespeciallyimportanttoresearchanddevelop

newenergystoragematerialsanddevices.Inrecent