中科院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

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的研究团队与北京大学、美国宾夕法尼亚大学的科研人员合作，合成了一种有序介孔少层碳的新型材料，其碳的sp2杂化程度高达98%，厚度少于5个原子层，是石墨烯广义家族中的一种新结构，具有优异的三维微观导电性能，经氮掺杂后具有优异的电化学储能特性。相关研究成果发表于《科学》（Science 2015, 350 (6267), 1508-1512）杂志上。

现代移动式设备、电动汽车等要求储能器件同时满足高能量密度、高功率密度、长寿命、安全可靠、价格低廉等特性，然而储能器件的高能量存储与快速充放通常是相互制约的。例如，锂电池具有高能量密度（80-250瓦时/公斤），但其功率密度低、充放电速度慢；传统的电容器具有极高的功率密度，但其能量密度往往很低，难以有效存储能量。为了满足高功率和高能量的要求，往往需要将二次电池和电容器联合使用。然而，这样不仅会增加储能系统的重量和体积，还会降低能量的利用效率。

超级电容器（也称电化学电容器）是介于二次电池和传统电容器之间的一种电化学储能装置，具有功率密度高、充放电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点，广泛应用于交通运输、港口机械、智能电网、风力发电等需要大功率输出的领域，目前已经形成了非常可观的市场规模，近年来保持近20%的全球增长率。与电池类似，超级电容器主要由电极、电解液、隔膜和集流体组成，其中的电极是决定超级电容器性能的核心部件。目前常用的活性炭电极是双电层的电荷存储机理，其比表面积大、稳定性好、功率密度高，但电容量小（<250法拉/克）；而导电聚合物和过渡金属氧化物则能通过与电解液发生氧化还原反应而获得高的电容量，但其导电性较弱、稳定性差。此外，现有储能器件中所使用的电解液通常为有机体系，通常有毒有害、易燃易爆、安全稳定性差。

为解决上述问题，科研人员设计合成了一种具有高比表面积的氮掺杂有序介孔少层碳材料（微观厚度少于5层），该材料具有良好的电化学储能特性，比容量达855法拉/克。高比表面积特性可增加电极的双电层电容；而氮掺杂则进一步引入了氧化还原反应，增加了电化学储能活性，同时又能保持高导电率。该团队研究了电极材料中结构与性能之间的关系，发现氮原子在石墨烯中的结构不仅影响电极材料的氧化还原电位，还决定了电极材料的电容量。例如，吡啶型和吡咯型氮原子的电化学活性高于石墨型氮原子。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。

然而，氮掺杂尽管可以提升电极的电容量，但从其循环伏安特性中可以看到明显的氧化还原峰，当组装成对称性器件时，电容量的损失接近20%（理想超级电容器的循环伏安曲线是矩形，当组装成对称性器件时，其电容量是无损失的）。这是由于电容器的两个电极在器件中是串联的，其整体电容量取决于两者较小值。这就好比两种弹性的弹簧串联，其整体弹性取决于弹性低者。为解决这一问题，该团队采用复合不同氧化还原电位电极材料的方法，获得了循环伏安曲线近似矩形的复合电极材料，将该复合电极材料组装成对称性电容器后，其电容量的损失只有2%，器件性能非常优异。目前，该器件的能量密度为41瓦时/公斤，可以和铅酸、镍氢（能量密度40-80瓦时/公斤）等电池相比；其功率密度高达26千瓦/公斤，远高于二次电池（<0.5千瓦/公斤）。另外，他们还采用了环保的水基电解液替代有毒有害的有机体系，提升了器件的安全性与可靠性。

此外，他们获得的最新研究结果表明，该类材料的能量密度还可以通过拓展电化学窗口进一步提高，获得更高能量密度的超级电容器。此项研究成果对于推动我国超级电容器的行业发展，提升行业竞争优势具有重要意义。

相关研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。