上海矽酸鹽所等在新型高效儲能電極材料研究中獲重要進展[朗讀]

近期，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學的科研人員合作，合成了一種有序介孔少層碳的新型材料，其碳的sp2雜化程度高達98%，厚度少於5個原子層，是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優異的三維微觀導電性能，經氮摻雜後具有優異的電化學儲能特性。相關研究成果發表於《科學》（science2015,350(6267),1508-1512）雜誌上。
現代移動式設備、電動汽車等要求儲能器件同時滿足高能量密度、高功率密度、長壽命、安全可靠、價格低廉等特性，然而儲能器件的高能量存儲與快速充放通常是相互制約的。例如，鋰電池具有高能量密度（80-250瓦時/公斤），但其功率密度低、充放電速度慢；傳統的電容器具有極高的功率密度，但其能量密度往往很低，難以有效存儲能量。為了滿足高功率和高能量的要求，往往需要將二次電池和電容器聯合使用。然而，這樣不僅會增加儲能系統的重量和體積，還會降低能量的利用效率。
超級電容器（也稱電化學電容器）是介於二次電池和傳統電容器之間的一種電化學儲能裝置，具有功率密度高、充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好等優點，廣泛應用於交通運輸、港口機械、智能電網、風力發電等需要大功率輸出的領域，目前已經形成了非常可觀的市場規模，近年來保持近20%的全球增長率。與電池類似，超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理，其比表面積大、穩定性好、功率密度高，但電容量小（<250法拉/克）；而導電聚合物和過渡金屬氧化物則能通過與電解液發生氧化還原反應而獲得高的電容量，但其導電性較弱、穩定性差。此外，現有儲能器件中所使用的電解液通常為有機體系，通常有毒有害、易燃易爆、安全穩定性差。
為解決上述問題，科研人員設計合成了一種具有高比表面積的氮摻雜有序介孔少層碳材料（微觀厚度少於5層），該材料具有良好的電化學儲能特性，比容量達855法拉/克。高比表面積特性可增加電極的雙電層電容；而氮摻雜則進一步引入了氧化還原反應，增加了電化學儲能活性，同時又能保持高導電率。該團隊研究了電極材料中結構與性能之間的關係，發現氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。例如，吡啶型和吡咯型氮原子的電化學活性高於石墨型氮原子。這一重要發現為科研人員設計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。
然而，氮摻雜儘管可以提升電極的電容量，但從其循環伏安特性中可以看到明顯的氧化還原峰，當組裝成對稱性器件時，電容量的損失接近20%（理想超級電容器的循環伏安曲線是矩形，當組裝成對稱性器件時，其電容量是無損失的）。這是由於電容器的兩個電極在器件中是串聯的，其整體電容量取決於兩者較小值。這就好比兩種彈性的彈簧串聯，其整體彈性取決於彈性低者。為解決這一問題，該團隊採用復合不同氧化還原電位電極材料的方法，獲得了循環伏安曲線近似矩形的復合電極材料，將該復合電極材料組裝成對稱性電容器後，其電容量的損失只有2%，器件性能非常優異。目前，該器件的能量密度為41瓦時/公斤，可以和鉛酸、鎳氫（能量密度40-80瓦時/公斤）等電池相比；其功率密度高達26千瓦/公斤，遠高於二次電池（<0.5千瓦/公斤）。另外，他們還採用了環保的水基電解液替代有毒有害的有機體系，提升了器件的安全性與可靠性。
此外，他們獲得的最新研究結果表明，該類材料的能量密度還可以通過拓展電化學窗口進一步提高，獲得更高能量密度的超級電容器。此項研究成果對於推動我國超級電容器的行業發展，提升行業競爭優勢具有重要意義。
相關研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。