● 摘要
电化学混合电容器是综合了传统双电层电容器和二次电池的新型储能元件，具有较高的比能量、比功率以及优良的循环寿命。混合电容器正负极分别为法拉第赝电容材料和双电层材料，此类电容器扩宽了工作电势窗口，提高了比容量，能够快速的进行充放电，因此具有更高的能量密度和功率密度。这为平衡混合电动汽车及动力电源在能量与功率输出方面的问题提供了借鉴方法。电极活性材料的研究将是提高混合电容器综合性能的关键所在。
本文利用硬模板法制备出氮掺杂介孔碳，并对材料形貌、结构及电化学性能进行了表征。TEM、XRD结果显示，该材料表现为二维六方密堆积结构(p6mm)，具有长程有序的孔道。物理吸附、XPS及元素分析的结果表明，氮原子取代类石墨结构碳原子形成CN，碳化温度对CN的比表面积、孔体积、碳氮比、孔径都存在影响。电化学性能表明，CN电极具有良好的循环稳定性，阻抗较小，说明氮原子的掺杂有效地提高了碳材料的润湿性及电荷传输能力。CV曲线表明，CN-1.1-650具有较好的电化学性能，扫速为5 mV/s时比电容为425.6 F/g。将CN-1.1-650电极组装成对称电容器，电流密度为0.2 A/g时，比容量为43.4 F/g，功率密度为72.9 W/kg。
在此基础上，通过化学沉积法合成了不同比例的CN/NiOOH/Ni(OH)2复合材料。SEM表明，复合材料为球形花状多孔结构，CN被NiOOH/Ni(OH)2包覆在其中。复合材料的CV曲线存在一对明显的氧化还原峰，表现出NiOOH/Ni(OH)2的法拉第赝电容特征， CN/Ni-30的比容量最高。此外CN/Ni-30电极的恒电流充放电曲线具有明显的充放电平台，电流密度为4 A/g时，比容量最高为1377.8 F/g。经过100次循环后，容量保持率为96%。当电流密度由2 A/g增加到10 A/g时，比容量保持为前者的62.3%。这主要是由于CN的电化学稳定性在一定程度上抑制了复合材料的容量衰减。
以复合材料CN/Ni-30为正极，石墨烯为负极，1M KOH为电解液组装成混合电容器。对其正负极质量比及工作电压范围进行了优化，确定了最优条件，即m正：m负=1:2.5，电压为1.57 V。电流密度为0.2 A/g时，混合电容器比容量为128.9 F/g，能量密度为44.1 Wh/kg，功率密度为73.5 W/kg，100次循环后比容量保持为84 F/g。保持正极材料不变，负极材料改为活性炭，组装成混合电容器。最优正负极质量比及电压分别为：1:1.5，0~1.6 V。电容器的比容量为126.5 F/kg，能量密度为45 Wh/kg，功率密度为75 W/kg。以上两种混合电容器的电化学性能整体上远远高于碳材料组装成的对称电容器。
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