Tempo-氧化片状木材/聚吡咯电极材料的可控制备及表征
- 项目背景
- 项目研究意义
随着全球能源需求的持续增长，高效的能源存储方式变得尤为关键。电化学储能器件( 如超级电容器、锂离子电池等) 是一种典型的高效储能系统，其中超级电容器具有功率密度高、循环寿命长等优点; 锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、自放电率低等优点。但现有电化学储能器件不可生物降解，对环境有一定的危害。生物质如木材作为光合作用的产物，具有低成本、可再生、绿色环保等优点，采用生物质制备衍生的电化学储能器件越来越受到人们的重视。
本课题拟采用低成本、可再生的木竹材作为原料制备用于木质基复合电极材料的制作，解决当前碳基复合材料制备成本高、原料资源匮乏的难题。着重研究木材基的复合电极材料的制备和表征研究，为制备高性能、环境友好型的木质基电化学储能设备提供参考。
- 国内外研究概况
电极材料是超级电容器电能存储的主要贡献者。为了研发出性能优良的超级电容器，重要的是开发出在不同电解液中具有较高比电容的电极材料。目前，超级电容器电极材料可分为三大类，即碳基电极材料、赝电容材料和复合型电极材料。
（一）碳基电极材料
超级电容器电极材料中，碳电极材料以其多孔、高比表面积结构及良好的导电性、宽孔径分布等优势，成为使用最多的电极材料。碳基材料是利用双电层存储电能，曾一度被认为可以通过增大碳材料的比表面积来增大电容器的比电容。然而，经过多年的研究发现，碳基材料的比表面积不是影响超级电容器电化学性能的唯一因素。孔隙率以及表面吸附的官能团共同制约着碳基材料比表面积的利用率。其中材料的孔隙率直接影响电解液对碳材料的浸润情况，良好的浸润效果有利于吸附电荷与电解液形成双电层至今报道过的碳材料有活性碳、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管以及石墨烯等。
（二）赝电容电极材料
目前，金属氧化物（氢氧化物）是比电容和能量密度最高的赝电容电极材料，是最有希望实现产业化应用的材料之一。以金属氧化物作为电极材料的法拉第赝电容器，比电容通常是碳材料双电层电容器的 1-2 个数量级。应用于超电容器的金属氧化物如氧化钌，虽然具有良好的导电性与高比能量，但由于价格昂贵限制了它的商业化发展，因此，近几年金属氧化物研究的重心主要集中在氧化锰、氧化钴、氧化镍等廉价材料上。上述单一金属氧化物在制备超级电容器电极材料中存在不同的缺点，比如氧化锰、氧化钼循环稳定性差；氧化钴、氧化镍的电化学窗口窄等等，限制了这些氧化物在超级电容器电极材料中的应用。因此，研究人员尝试将金属氧化物与碳材料、导电聚合物等材料复合，应用于制备超级电容器电极材料。导电聚合物是另一类赝电容电极材料，通过充放电过程的氧化还原反应，在聚合物膜上产生快速 n 型或 p 型掺杂、脱掺杂来储存高密度电荷来产生大法拉第电容。其比电容通常比活性碳高 2-3 倍，同时兼有充放电时间短、成本低等优势。常用的导电聚合物材料有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTh）等具有共轭结构的聚合物及其衍生物。尽管导电聚合物比电容大，但是电化学循环稳定性能较差。现阶段主要有以下两个方面的研究来提高其循环稳定性：其一是对导电聚合物的结构进行修饰；其二是与碳材料或金属氧化物进行复合，制备成导电聚合物/碳或导电聚合物/金属氧化物或导电聚合物/碳/金属氧化物的复合材料。 如Ｌv等通过溶胶－凝胶法制备ＭnＣＶＣＱＤｓ／ＧＡ 复合材料，考察 ＣＱＤｓ 的掺人对体系电化学性能的影响。当掺人 ＣＱＤｓ 时 ，该复合材料在１Ａ／ｇ电流密度下 ，获得了７２１Ｆ／ｇ的高比电容 。
（三）复合型电极材料[8]
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