國際激烈競爭大功率儲能裝備急需超高效能電源。鋰離子電池和超級電容器是儲能原理不同、各有特點(diǎn)的兩類代表性儲能器件。鋰電池能量密度高（~250 Wh kg -1），但功率密度偏低（＜1 kW kg -1），而超級電容器功率密度高（~15 kW kg -1）但能量密度過低（＜20 Wh kg -1）。超越上述兩類儲能器件的儲能極限，發(fā)展兼具高能量密度和高功率密度（“雙高”）儲能器件的新型電極材料，是化學(xué)儲能領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的難題。

那么，我國科技人員在這方面做了哪些工作，工作的創(chuàng)新點(diǎn)和成果怎樣？下面讓小編為你們介紹一下。

從2019年上海市科技大會上我們獲知，中國科學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊——上海硅酸鹽研究所先進(jìn)材料與新能源應(yīng)用研究團(tuán)隊完成的《面向高功率儲能應(yīng)用的高性能電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能調(diào)控》項目獲2019年上海市自然科學(xué)一等獎。

該項目屬于新材料領(lǐng)域，無機(jī)非金屬材料學(xué)科。針對以高功率新型軍事裝備為代表的軍民高技術(shù)新裝備急需的兼具高功率與高能量電源需求，重點(diǎn)突破高容量儲存與電荷極速脫嵌一體化儲能新材料的科學(xué)難點(diǎn)，提出協(xié)同優(yōu)化多種互為制約物理量的材料創(chuàng)新設(shè)計思想，發(fā)展了超越現(xiàn)有材料性能極限的儲能新材料多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控制備新方法，研制成功新型“雙高”儲能器件。

困難突破

上海硅酸鹽研究所先進(jìn)材料與新能源應(yīng)用研究團(tuán)隊在高比電容少層介孔碳電極材料的宏量制備方法、極速儲放能的高比容量黑色二氧化鈦電極材料、超高倍率電容式儲能的納孔氧化鈮基單晶等方面取得系列進(jìn)展，支撐了融合 “電容+電池 ”儲能優(yōu)點(diǎn)的高能量和高功率儲能器件性能實(shí)現(xiàn)突破。

硅原子錨定活性氮的設(shè)計制備與超高比電容性能

針對碳材料表面雙電層儲能比容量低的問題，該研究團(tuán)隊基于早期設(shè)計的高比電容的氮摻雜少層碳介孔，以實(shí)現(xiàn)高性能氮摻雜碳的宏量制備與實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，提出了“硅原子錨定活性氮”、“硅 - 硼 / 鋁原子協(xié)同調(diào)控活性氮類型 / 含量”、“鎂輔助調(diào)控孔結(jié)構(gòu)”等材料設(shè)計與制備新思路，發(fā)明了“溶膠凝膠 - 熱處理”相結(jié)合的規(guī)模化制備氮摻雜無序介孔少層碳的新方法，所得氮摻雜碳材料導(dǎo)電率達(dá)150 S/cm、比電容達(dá)690 F/g、30,000次循環(huán)容量保持率達(dá)90%。已申請多項國家發(fā)明專利，相關(guān)成果發(fā)表在J. Energy Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Batteries & Supercaps 上。

針對常規(guī)金屬氧化物體相儲能難以實(shí)現(xiàn)高功率儲能的問題，該研究團(tuán)隊運(yùn)用前期的量子電容概念闡述了介孔 / 納孔尺度的表層量子極化電容，結(jié)合密度泛函計算態(tài)密度分布研究，發(fā)現(xiàn)活性氮摻雜二氧化鈦具備質(zhì)子耦合電子反應(yīng)的儲電新機(jī)理。

氮摻雜黑色二氧化鈦及其作為超級電容器活性材料的電化學(xué)性能

基于前期發(fā)明的“低溫還原+元素?fù)诫s”制備高導(dǎo)電黑色氧化鈦的制備方法，發(fā)現(xiàn)9.29 at%高濃度摻雜黑色TiO2-x :N 比電容高達(dá)750 F/g，改變了寬禁帶半導(dǎo)體二氧化鈦無法應(yīng)用于超級電容器電極的傳統(tǒng)認(rèn)識。

針對鋰電負(fù)極材料倍率性能差的問題，該研究團(tuán)隊提出可實(shí)現(xiàn)“離子+電子”快速遷移的“孔道+單晶”多孔單晶結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，融合體相和表面高儲能且極速充放電的優(yōu)異特性。

超高倍率納孔單晶氧化鈮電極材料的設(shè)計制備與電化學(xué)性能

該研究基于前期工作中模擬自然界的熱液蝕變發(fā)明原子尺度微溶蝕法，并結(jié)合高溫低氧分壓誘導(dǎo)氧缺陷，成功制備了高比表面積的納孔單晶黑色Nb2O 5-x ，儲鋰比容量253 mAh/g，電容式容量高達(dá)87%，具有極高的倍率性能（187 mAh/g@25C@4000 次循環(huán)、70mAh/g@250C），比容量和倍率特性遠(yuǎn)優(yōu)于氧化物性能最佳的“零應(yīng)變”Li4Ti5O12材料，驗(yàn)證了納孔單晶結(jié)構(gòu)具有融合體相和表面的高儲能且極速充放電的優(yōu)異特性，已實(shí)現(xiàn)宏量制備并應(yīng)用于超高倍率儲能器件中，實(shí)現(xiàn)了200C超高倍率儲放電和高能量密度139 Wh/kg。相關(guān)成果發(fā)表在 iScience 上。

創(chuàng)新點(diǎn)

一、氮摻雜介孔少層碳的超高比電容設(shè)計與制備

設(shè)計出融合高質(zhì)子贗電容與高電子遷移率的氮摻雜少層碳新結(jié)構(gòu)；提出了“硅原子固定電化學(xué)活性氮”制備新思路，解決了碳材料高導(dǎo)電性和高活性氮共存的科學(xué)難題；制備出氮摻雜濃度高達(dá)8.5%的高導(dǎo)電介孔少層碳，比電容高達(dá)855 F/g，突破了石墨烯雙電層儲能理論極限550 F/g；成果發(fā)表于《科學(xué)》，被稱為“一個飛躍”和“突破性發(fā)現(xiàn)”。

二、缺陷結(jié)構(gòu)氧化物的電荷極速脫嵌設(shè)計與制備

取得了鈦/鈮氧化物微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能新突破；巧妙采用“熱解還原+元素?fù)诫s”制備出多孔微晶結(jié)構(gòu)的高載流子導(dǎo)電氮摻雜黑色氧化鈦，比電容690 F/g，黑色氧化鈦電極專利已獲美國、歐洲授權(quán)，改變了氧化鈦無法用于超級電容器的傳統(tǒng)認(rèn)知；發(fā)明原子尺度微溶蝕法制備出孔徑＜1nm 鈦鈮氧化物納孔單晶，獨(dú)特的儲鋰倍率高達(dá)200C。

三、高導(dǎo)電彈性三維多孔碳的集流體設(shè)計與制備

設(shè)計高導(dǎo)電通道環(huán)繞活性基元密堆且滿足電荷極速充放的集流新結(jié)構(gòu)；制備出共價鍵合的類金剛石結(jié)構(gòu)超輕三維石墨烯管，力學(xué)和電學(xué)性能均高出同類材料 1-2個數(shù)量級，應(yīng)用于動力電芯實(shí)現(xiàn)4分鐘充電；被稱為“輕如氣球強(qiáng)如金屬”超級材料、評為“2015年材料界重要發(fā)明” 和“2015石墨烯行業(yè)十大影響力事件”。

四、“雙高”快響應(yīng)儲能器件的創(chuàng)新設(shè)計與制備

運(yùn)用超高比電容極速放電和高導(dǎo)電高力學(xué)性能的關(guān)鍵新材料，實(shí)現(xiàn)了電容-電池兩種優(yōu)異特性融合的貫穿儲能新理念-新材料-器件結(jié)構(gòu)的系列創(chuàng)新；“雙高”器件性能取得突破；第三方檢測能量密度最高178 Wh/kg，功率密度最高103 kW/kg，優(yōu)于國際同類器件。

項目成果

項目針對現(xiàn)有超級電容器與鋰電池?zé)o法兼顧“高能量+高功率”的世界性儲能難題，通過貫穿儲能新理念-新材料-器件結(jié)構(gòu)的系列創(chuàng)新，提出了融合“體相儲能+表層儲能”電化學(xué)儲能的新機(jī)制，發(fā)明了性能優(yōu)異的系列關(guān)鍵材料和制備方法，成功研制了融合高功率密度-高能量密度兩種優(yōu)異特性的新型“雙高”快響應(yīng)儲能器件。經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測，“雙高”器件的能量密度最高達(dá)178 瓦時/千克、功率密度最高達(dá)103千瓦/千克，超過國際高功率型器件的最高水平。

八篇代表論文發(fā)表在《科學(xué)》、《先進(jìn)材料》等期刊，被諾貝爾獎獲得者JB Goodenough和儲能專家Patrice Simon等的高度評價，被《自然能源》等專文評述5次。氮摻雜少層介孔碳被稱為“超級電容器能量密度的飛躍”、“一個突破性發(fā)現(xiàn)”，三維石墨烯管超級材料被稱為“材料之王”、被評為“2015材料新發(fā)現(xiàn)、新發(fā)明”和“2015年石墨烯行業(yè)十大影響力事件”。

項目獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技部創(chuàng)新團(tuán)隊等資助。獲授權(quán)專利52項（PCT 國際、美歐日各1項），部分成果向上市公司佛塑科技集團(tuán)轉(zhuǎn)讓（專利許可費(fèi)1千萬元），開發(fā)出4分鐘快速充放、超長壽命的高功率鋰電商業(yè)電芯，優(yōu)于國際同類器件。

結(jié) 語

寫到這里，想必大家已經(jīng)對高功率儲能應(yīng)用的高性能電極材料以及我國科研人員所做出的貢獻(xiàn)有所了解。我們期待著我國科研人員能夠創(chuàng)造出更多的佳績。期待下次科普時與大家再見!

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