能源是经济的命脉，对全球经济和国际战略格局都有着深远的影响。随着科技的进步和社会经济的高速发展，化石燃料的燃烧，不可再生能源的存储量急剧减少，能源短缺与环境污染问题已经成为了21世纪人类急需解决的难题^[1]。为了进一步推进可持续发展计划，可再生能源的开发利用和环境保护逐渐成为其中至关重要的一部分。为了更好地解决能源问题，电化学储能装置开始得到广泛研究，主要有电容器和电池。而超级电容器作为近几十年发展起来的一种新型储能器件，在新型能量存储和转化系统发展过程中扮演着重要的角色，具有充电时间短、工作电压范围宽、循环稳定性好、功率密度大、绿色环保等特点，已在电力、交通等各大领域得到了广泛的应用^[2]。

根据不同的储能机理，可将超级电容器分为双电层电容器和赝电容器两大类^[3]。

其中，双电层电容器主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附/脱附来产生/释放能量。19世纪末，Helmhotz提出双电层理论。Helmhotz模型认为金属表面上的静电荷将从溶液中吸收部分反离子，使它们在电极溶液界面的一侧排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，即双电层。双电层电容器的电容性能与电极电势和材料本身的属性有关。双电层电容器的电极材料多为碳材料，碳材料具有种类多样、价格低廉、高比表面积、较高的导电率、良好的电化学稳定性和循环稳定性等优良特点，是超级电容器重要的电极材料^[4]。但是碳材料也有比电容较低、能量密度低的缺点。目前超级电容器研究和应用较多的碳材料主要有活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳复合材料、碳气凝胶等^[5,6]。不同碳材料的微观形貌和理化性质不同，电化学储能性能也有所差别。

赝电容器，也称法拉第电容器，其主要以金属氧化物或导电聚合物作为电极。充电时，活性材料在电极表面发生快速的氧化还原反应，使材料的氧化还原电势发生改变，两电极之间产生电势差，从而形成赝电容效应；放电时，电极表面发生与充电过程相反的逆反应，两电极间电势差降低，实现放电。赝电容器的材料主要有过渡金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物。其中过渡金属氧化物/氢氧化物主要有RuO₂、Fe₃O₄、MnO₂、NiO_x、CoO_x、ZnO、Ni(OH)₂和Co(OH)₂等^[7-11]。导电聚合物目前主要有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等^[12shy;-14]。

超级电容器的主要性能评价指标有比电容、功率密度、能量密度、循环稳定性等^[15]，而电极材料和电解液是决定超级电容器性能的两大因素。碳材料具有循环稳定性好、功率密度高的优良特性，但是比电容不理想和能量密度低；而过渡金属氧化物/氢氧化物具有很高的电容量，但是导电性不高；虽然导电聚合物导电性能好、内阻小，但是在充放电中材料会发生膨胀或者收缩，导致其结构发生变化，因而循环稳定性能较差。因此开发兼具高比电容、高功率密度、高能量密度和循环稳定性好等特点的电极材料是当前研究的重点。

多孔碳材料是指含有很多不同孔隙结构的碳材料，它不仅具有碳材料稳定的物理化学性质、良好的导电性等优点，由于引入了多孔结构，还具有比表面积高、孔结构可控可调、排列方式多样化和制备方法多样化等特点^[16,17]。因此被广泛应用于超级电容器中。用于制备多孔碳材料的原料来源丰富多样，除天然的生物质材料诸如各种糖类、果壳、树叶等材料外，还包括各种聚合物材料和矿物原料。多孔碳材料可通过传统活化法（物理活化法和化学活化法）、催化活化法、模板碳化法等制备^[18,19]，其中以酚醛树脂基为原料经碳化得到的多孔碳材料应用最广泛。该方法的主要特点是碳化收率高、易于活化造孔、比表面积大。因此，酚醛树脂基制备的多孔碳材料是理想的超级电容器电极材料。

一般而言，单一的电极材料不能达到理想的超级电容器性能，因此合成复合电极材料，利用不同材料之间的协同效应，是提高超级电容器的性能的有效方法。例如，Wang^[20]等人制备了由甲阶酚醛树脂和Ni(OH)₂复合得到的苯酚-甲醛树脂（PF）碳粉末，所得材料的比表面积高达970 m² g^-1，孔体积为0.69 cm³ g^-1，同时展现了较高的能量密度（5.7Wh kg^-1）和功率密度（10 kW kg^-1）。这是因为Ni的引入起到了提高导电性、催化石墨化和造孔剂的作用。王凌颉^[21]等人合成了具有片状结构的钛掺杂的多孔碳材料，该材料不仅充放电电势窗口有所增加(从1 V 增加至 1.5 V) ，导电性能也有所提高，使得钛掺杂的多孔碳材料能够表现出良好的电化学性能和电容性质。在电流密度为1 A g^-1时，钛掺杂的多孔碳材料比电容由原来的111.2 F g^-1增大至134.9 F g^-1，并且循环1000次后，电容的保留率为93.44%，表明该材料循环稳定性良好。

本课题以多聚甲醛和苯酚为原料合成酚醛树脂，然后在树脂发泡过程中添加镍盐，得到镍掺杂的酚醛泡沫材料，再经高温碳化后得到镍掺杂的多孔碳材料。采用相关的表征方法和电化学方法探究加入不同比例的镍对多孔碳材料形貌及电化学性能的影响，以期获得一种具有优良的电容性能、高稳定性的超级电容器电极材料。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的基本内容：

1. 制备镍掺杂的酚醛泡沫材料，并通过高温碳化后获得用于超级电容器电极材料的镍掺杂的多孔碳材料；

   剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付