【科技】上海硅酸盐所等在新型高效储能电极材料研究中获重要进展

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最近，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强领导的研究小组与北京大学、美国宾夕法尼亚大学的科研人员合作，合成了有序的介孔无机碳新材料。 其碳的sp2混合程度达到98%，厚度少于5个原子层，是石墨烯广义家族中的新结构，具有优良的三维微观导电性能，氮掺杂后具有优良的电化学储能特征。 相关研究的成果刊登在《科学》( science，350(6267 )，1508-1512 )杂志上。 现代移动设备、电动汽车等要求储能器件，而且满足了高能量密度、高功率密度、长寿命、安全可靠、廉价等特点，但储能器件的高能储能和快速充放电一般是相互制约的。 例如，锂电池具有高能量密度( 80~250WHR/kg )，但功率密度低、充放电速度慢以往传递的电容器具有极高的功率密度，其能量密度低，比较有效 为了满足高功率和高能量的要求，经常需要并用二次电池和电容器。 但是，这不仅会增加储存系统的重量和体积，还会降低能源的利用效率。

超级电容器(也称为电化学电容器)是介于二次电池和以前传来的电容器之间的电化学储能装置，具有电力密度高、充放电时间短、寿命长、温度特性好等优点，交通运输、港湾机械、智能标志 和电池一样，超级电容器主要由电极、电解液、隔膜、集电体构成，其中的电极是决定超级电容器性能的核心部件。 现在常用的活性炭电极是双电层的电荷积累机制，比表面积大，稳定性高，输出密度高，但容量小( <； 250法拉/克； 另一方面，导电性聚合物和过渡金属氧化物通过与电解液的氧化还原反应可以得到高电容量，但导电性弱，稳定性差。 另外，现有储能器件中使用的电解液一般是有机类，有毒有害、易燃、安全稳定性差。

为了处理上述问题，科学家设计合成了具有高比表面积的氮掺杂有序介孔少层碳材料(微观厚度小于5层)，该材料具有良好的电化学储能特征，比容量达到855法拉/克。 高比表面积的特征是，可以增加电极的双电层容量的氮掺杂进一步导入氧化还原反应，增加电化学储藏活性，并且维持高电导率。 该小组研究了电极材料中的结构与性能之间的关系，发现石墨烯中的氮原子结构不仅决定了电极材料的氧化还原电位，还决定了电极材料的容量。 例如，吡啶型和吡咯型氮原子在电化学上的活性比石墨型氮原子高。 这一重要发现为科研人员设计高电化学活性的电极材料提供了新的思路。

但是，氮掺杂可以提高电极的容量，但从循环伏安法特性可以看到明显的氧化还原峰，在作为对称性器件组装的情况下，容量的损失接近20% (理想的超级电容器的循环伏安图， 这是因为电容器的两个电极在设备中串联连接，其总电容依赖于两者的小值。 这就像两种弹性弹簧串联连接，整体弹性取决于弹性低的一方。 为了应对该问题，该团队通过复合不同氧化还原电位的电极材料，得到循环伏安接近矩形的复合电极材料，将该复合电极材料组装到对称性电容器中后，电容的损失只有2%，器件性能非常优异 现在，该器件的能量密度为41瓦/kg，可以与铅酸、镍氢(能量密度40-80瓦/kg )等电池进行比较。 其功率密度高达26千瓦/公斤，远远高于二次电池(

另外，根据他们得到的最新研究结果，这种材料的能量密度可以通过扩大电化学窗口进一步提高，得到更高能量密度的超级电容器。 这一研究成果对推动我国超级电容器领域的快速发展，提高领域的竞争特征具有重要作用。

相关研究事业得到国家自然科学基金等项目的支持。