從最早的干電池，到逐漸興起的鋰離子電池、超級電容器，電化學(xué)儲能器件一路發(fā)展，更新?lián)Q代，而其中的關(guān)鍵材料一直是碳材料。

如今，快速發(fā)展的智能手機(jī)和電動汽車等行業(yè)對以電池和超級電容器為代表的電化學(xué)儲能器件的性能提出了更高的要求：要能夠快速充電，增強(qiáng)續(xù)航能力，延長使用壽命，提升便攜性……這些需求目標(biāo)正在“呼喚”新型碳材料加入儲能器件材料的行列。

什么是富碳材料

富碳材料是以碳材料為主同時加入其他元素的材料，作為主體的碳材料包括石墨烯、碳納米管、碳纖維、微介孔碳，以及以碳元素為主體的納米金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)化合物等。

富碳材料的結(jié)構(gòu)多樣，可調(diào)控性強(qiáng)，表面狀態(tài)豐富，化學(xué)穩(wěn)定性好，并且具有優(yōu)異的電輸運(yùn)特性和高活性表面特性。對于電化學(xué)儲能器件存在的能量不夠高、安全性不夠好、成本不夠低廉等關(guān)鍵問題，富碳材料都有潛力去解決。

具備潛力還不夠，能否真正擁有優(yōu)異的電化學(xué)性能，取決于能否通過精準(zhǔn)調(diào)控讓富碳材料具有“稱心如意”的結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)也就在這里——由于富碳材料結(jié)構(gòu)多樣，難以精準(zhǔn)控制和定向合成，因此，如何根據(jù)性能上的需求去設(shè)計和制備特定的材料結(jié)構(gòu)，成為研究道路上的“攔路虎”。

擊敗富碳材料結(jié)構(gòu)“攔路虎”

從理論上來說，富碳納米儲能材料的電化學(xué)行為與其結(jié)構(gòu)、形貌和共生原子密切相關(guān)，表面官能團(tuán)也會產(chǎn)生很大的影響。

就拿富碳材料的孔結(jié)構(gòu)來說吧，電池的電極材料中需要有一定數(shù)目的“孔”，能在充放電時讓電子或離子要么通過，要么存儲下來。這些“孔”應(yīng)該是大是小，是圓是方?應(yīng)該如何有序、有尺度地分布?應(yīng)該采用什么方法，才能對其實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，從而制備出具有特定孔結(jié)構(gòu)的富碳材料?這都是材料制備過程中的共性問題。找到這類問題的答案，才能對材料的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而提出制備富碳儲能材料的普適性方法。

針對結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)控的核心問題，上海理工大學(xué)楊俊和研究團(tuán)隊從基礎(chǔ)研究著手，潛心研究，十年磨一劍，取得了許多科學(xué)進(jìn)展。

例如，研究團(tuán)隊開發(fā)出一套巧妙的制備工藝，以石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元，制備出低密度高強(qiáng)度的多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯基三維碳材料，而這種結(jié)構(gòu)正是儲能材料具有循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

成功實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的調(diào)變并探明其中的作用機(jī)制，為接下來制備結(jié)構(gòu)可控、性能優(yōu)異的富碳納米材料提供了理論支撐。

變身“超級電池”

我們制備的富碳納米材料可用于鋰離子電池、鋰硫電池、超級電容器等儲能器件，使器件的續(xù)航時間延長，循環(huán)次數(shù)增加，安全性增強(qiáng)，就像“超級電池”一樣。

1、在鋰離子電池中的應(yīng)用

目前絕大多數(shù)的商業(yè)鋰離子電池都使用石墨作為負(fù)極材料。但是，石墨負(fù)極的實際比容量已經(jīng)接近其理論值，很難再有提升的空間。能不能找到一種高比容量負(fù)極材料來替代石墨呢?

石墨烯基富碳納米材料就是一個很好的選擇。它的儲鋰容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料的理論容量，只是由于存在首次效率較低、無放電平臺、循環(huán)性能差、充放電曲線滯后嚴(yán)重等缺點(diǎn)，難以直接作為電極材料用于鋰離子電池。

2、在鋰硫電池中的應(yīng)用

鋰硫電池被認(rèn)為是極具潛力的下一代高容量儲能電池。然而，鋰硫電池體系中存在的一系列問題嚴(yán)重制約其性能發(fā)揮與實際應(yīng)用。首先，鋰硫電池充放電過程中會形成一系列易溶于電解液的多硫化鋰中間產(chǎn)物，導(dǎo)致電池的循環(huán)穩(wěn)定性欠佳;其次，受限于硫及其放電產(chǎn)物硫化鋰的絕緣特性，鋰硫電池中正極活性物質(zhì)硫的利用率偏低;第三，用金屬鋰作負(fù)極，存在安全隱患。

基于這三個問題，我們?yōu)楦纳其嚵螂姵氐碾娀瘜W(xué)性能提供了新思路。我們開發(fā)出一類新型碳/硫復(fù)合正極材料，解決了硫正極存在的導(dǎo)電性差和中間產(chǎn)物溶解穿梭等關(guān)鍵科學(xué)問題;進(jìn)一步發(fā)展了原位鋰化碳/硫復(fù)合材料，對因使用金屬鋰作為負(fù)極可能導(dǎo)致的安全隱患提出新的解決途徑。

3、在超級電容器中的應(yīng)用

在現(xiàn)有的各種化學(xué)儲能器件中，電化學(xué)電容器或超級電容器是功率密度最高的二次化學(xué)儲能器件，尤其適用于電動汽車的負(fù)載均衡裝置。富碳納米材料中的碳納米管，尤其是垂直排列的碳納米管，是構(gòu)建高性能超級電容器復(fù)合電極的理想碳載體。然而，由于碳納米管間僅靠微弱的范德華力結(jié)合，采用傳統(tǒng)的濕化學(xué)法負(fù)載金屬氧化物時極易破壞碳納米管的定向排列結(jié)構(gòu)。

我們針對這一問題，創(chuàng)新性地制備出垂直碳納米管/氧化物納米復(fù)合電極。在這種電極材料的結(jié)構(gòu)中，垂直碳納米管仿佛是一條條線，金屬氧化物納米顆粒作為活性組分仿佛是一個個點(diǎn)，后者在前者的管間孔隙里軸向均勻分布。它與碳納米管負(fù)極匹配組裝的超級電容器，表現(xiàn)出很高的能量密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

相信在不久的將來，人們可以在電動汽車、儲能電站、電子設(shè)備等多個領(lǐng)域看到富碳納米儲能材料的身影。

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