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无论对于何种电化学储能装置，电极材料都是实现高能量和功率密度的关键因素。多孔炭电极由于具有高电导率，低电荷转移阻力和稳定的理化特性优势，被证明是最有前途的候选物。尤其是近年来，生物质衍生炭材料的应用一直进步，被认为是可持续和可再生能源存储技术的最重要驱动力之一，然而大多数生物质来源都具有实验室规模和低产量的特征，实际应用受限。探索长期可持续使用的更合适的生物质替代品仍然是一个关键问题。作为一种海洋生物质资源，海藻酸钠丰度广，产量高，环境友好，使其有望成为开发先进的多孔炭气凝胶以实现多种能量储存的长期可持续来源。
本文以海藻酸钠为碳前驱体，从形貌调控和结构设计两方面出发，首先制备了一系列多孔结构和杂原子掺杂的海藻酸钠衍生炭气凝胶以提升超级电容器电极材料的倍率性能和能量密度;其次利用海藻酸钠天然结构中G嵌段的含氧官能团能与多价金属阳离子螯合形成“蛋-壳”结构的特性，设计合成海藻酸钠衍生炭气凝胶包覆中空钴酸铁纳米颗粒复合材料用于高性能锂离子电池负极材料，以缓解金属氧化物电极导电性差和脱/嵌锂过程中体积膨胀所导致的差的倍率能力和快速的容量衰减问题。
(1)以海藻酸钠为碳前驱体，FeCl3溶液为凝胶浴，通过离子辅助法，制备出海藻酸钠衍生炭气凝胶。探究了炭化温度对产物形貌结构及电化学性能的影响。结果显示，Fe3+的存在有助于形成3D互联网络结构并催化炭气凝胶的石墨化程度。作为超级电容器电极材料时，ISCA-700表现出最佳性能。在三电极体系中0.5A g-1电流密度下具有184F g-1的较高比容量和高达89％的容量保持率(20A g-1);在10A g-1大电流密度下循环10000次，比容量接近100％。海藻酸钠衍生炭气凝胶表现出的高倍率和长循环优势主要归因于独特的3D多孔结构和较高石墨化程度的有效结合。
(2)以海藻酸钠为碳前驱体，以硫脲为氮源和硫源，通过简单的溶液共混经一步炭化制备出氮硫共掺杂炭气凝胶。考察了硫脲用量对炭气凝胶形貌结构和作为超级电容器电极材料电化学性能的影响。结果表明，硫脲用量为1.5g即NSCA-1.5具有最佳的氮掺杂量(16.15at％)和硫掺杂量(0.93at％)，且作为超级电容器电极材料表现出最佳性能。在三电极体系中0.5A g-1电流密度下比容量高达268F g-1，电流密度增大至20A g-1时，比容量仍保留初始的88.58％;在10A g-1大电流密度下循环10000次，容量保持97.3％。组装对称超级电容器，NSCA-1.5//NSCA-1.5展现出9.6Wh kg-1的最高能量密度（功率密度为124W kg-1）。这主要归因于其独特的炭气凝胶多孔结构和较高的双杂原子掺杂。
(3)以海藻酸钠为碳前驱体，以Co2+、Fe3+混合金属离子溶液为凝固浴，辅助氧化工艺，成功制备出炭气凝胶包覆中空铁酸钴纳米颗粒复合材料（CFO HNPs@CAs）。考察了混合离子浓度对复合材料形貌结构、组分比例和作为锂离子电池负极材料的储锂性能的影响。研究表明，混合离子浓度为48mmol L-1即CFO-48具有最优的储锂性能，在0.1A g-1的电流密度下，CFO-48的首次可逆容量为1092mAh g-1;在5Ag-1大电流密度下循环500次，比容量保持460mAh g-1，且循环后电极材料微观结构无明显变化，非常稳定。CFO HNPs@CAs高比容量，优异的倍率性能及长循环优势的实现主要得益于独特的CFO中空结构和炭气凝胶网络结构。该法简易环保，结构可控，且原材料资源丰富，使得CFO HNPs@CAs复合材料有望成为新一代可商业化的LIBs阳极材料。
本文以海藻酸钠为碳前驱体，从形貌调控和结构设计两方面出发，首先制备了一系列多孔结构和杂原子掺杂的海藻酸钠衍生炭气凝胶以提升超级电容器电极材料的倍率性能和能量密度;其次利用海藻酸钠天然结构中G嵌段的含氧官能团能与多价金属阳离子螯合形成“蛋-壳”结构的特性，设计合成海藻酸钠衍生炭气凝胶包覆中空钴酸铁纳米颗粒复合材料用于高性能锂离子电池负极材料，以缓解金属氧化物电极导电性差和脱/嵌锂过程中体积膨胀所导致的差的倍率能力和快速的容量衰减问题。
(1)以海藻酸钠为碳前驱体，FeCl3溶液为凝胶浴，通过离子辅助法，制备出海藻酸钠衍生炭气凝胶。探究了炭化温度对产物形貌结构及电化学性能的影响。结果显示，Fe3+的存在有助于形成3D互联网络结构并催化炭气凝胶的石墨化程度。作为超级电容器电极材料时，ISCA-700表现出最佳性能。在三电极体系中0.5A g-1电流密度下具有184F g-1的较高比容量和高达89％的容量保持率(20A g-1);在10A g-1大电流密度下循环10000次，比容量接近100％。海藻酸钠衍生炭气凝胶表现出的高倍率和长循环优势主要归因于独特的3D多孔结构和较高石墨化程度的有效结合。
(2)以海藻酸钠为碳前驱体，以硫脲为氮源和硫源，通过简单的溶液共混经一步炭化制备出氮硫共掺杂炭气凝胶。考察了硫脲用量对炭气凝胶形貌结构和作为超级电容器电极材料电化学性能的影响。结果表明，硫脲用量为1.5g即NSCA-1.5具有最佳的氮掺杂量(16.15at％)和硫掺杂量(0.93at％)，且作为超级电容器电极材料表现出最佳性能。在三电极体系中0.5A g-1电流密度下比容量高达268F g-1，电流密度增大至20A g-1时，比容量仍保留初始的88.58％;在10A g-1大电流密度下循环10000次，容量保持97.3％。组装对称超级电容器，NSCA-1.5//NSCA-1.5展现出9.6Wh kg-1的最高能量密度（功率密度为124W kg-1）。这主要归因于其独特的炭气凝胶多孔结构和较高的双杂原子掺杂。
(3)以海藻酸钠为碳前驱体，以Co2+、Fe3+混合金属离子溶液为凝固浴，辅助氧化工艺，成功制备出炭气凝胶包覆中空铁酸钴纳米颗粒复合材料（CFO HNPs@CAs）。考察了混合离子浓度对复合材料形貌结构、组分比例和作为锂离子电池负极材料的储锂性能的影响。研究表明，混合离子浓度为48mmol L-1即CFO-48具有最优的储锂性能，在0.1A g-1的电流密度下，CFO-48的首次可逆容量为1092mAh g-1;在5Ag-1大电流密度下循环500次，比容量保持460mAh g-1，且循环后电极材料微观结构无明显变化，非常稳定。CFO HNPs@CAs高比容量，优异的倍率性能及长循环优势的实现主要得益于独特的CFO中空结构和炭气凝胶网络结构。该法简易环保，结构可控，且原材料资源丰富，使得CFO HNPs@CAs复合材料有望成为新一代可商业化的LIBs阳极材料。