中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
儲能電池是推動(dòng)可再生能源普及、實(shí)現能源轉型和“雙碳”目標的關(guān)鍵技術(shù)。電池和超級電容器是兩類(lèi)代表性的電化學(xué)儲能電池器件，因其電化學(xué)儲能機理不同，有各自的優(yōu)缺點(diǎn):電池的能量密度高、自放電率低，但倍率性能相對較差、功率密度較低；而超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長(cháng)、安全性更好等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度較低。為了滿(mǎn)足高能量密度下大電流充放電的需求，將電池和超級電容器相結合形成的混合型超級電容器，如鋰（鋅）離子電容器，綜合了電池和超級電容器兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有高功率密度，長(cháng)循環(huán)壽命、適中的能量密度等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)調頻、無(wú)架空線(xiàn)的有軌電車(chē)、自動(dòng)導引車(chē) (AGV)、智能水電氣表等領(lǐng)域中應用前景廣闊。
電極材料是決定混合型超級電容器性能的關(guān)鍵?；钚蕴烤哂懈弑缺砻娣e、豐富孔道結構、導電性好、化學(xué)穩定性好、結構易修飾等特點(diǎn)，是超級電容器常用的電極材料。然而，商用的多孔活性炭在超級電容器實(shí)際應用過(guò)程中面臨著(zhù)幾個(gè)問(wèn)題：一是受限于雙電層物理吸附儲能機理，其比容量有限；二是多孔結構會(huì )降低導電性和材料密度，難以實(shí)現高容量與高導電的致密儲能；三是活性炭的含氧官能團，在充放電過(guò)程中易發(fā)生副反應，循環(huán)穩定性較差。
上海交通大學(xué)材料學(xué)院黃富強/林天全老師團隊針對上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，從儲能機制探索、材料設計合成到器件界面調控層層遞進(jìn)，突破了傳統活性炭正極的容量和工作電壓的限制，設計了碳基致密儲能材料，提升了鋅/鋰離子電容器的比容量、循環(huán)壽命、工作電壓等關(guān)鍵性能，為發(fā)展高能量密度、高功率密度和長(cháng)循環(huán)壽命的儲能器件提供新路徑。
研究團隊針對多孔碳材料壓實(shí)密度低、多孔結構與高導電性難以兼得等難題，篩選具有二維共軛結構的共價(jià)三嗪框架為前驅體，發(fā)展了低溫熔鹽合成致密多孔碳材料的方法，探明了影響致密碳材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素，揭示了基于H+/Zn2+可逆吸脫附的電化學(xué)儲能微觀(guān)機制。實(shí)驗結果表明，獲得的碳材料的壓實(shí)密度達1.1 g cm-3，優(yōu)于傳統超級電容器碳材料壓實(shí)密度（0.6 g cm-3）?；谏鲜鲋旅芴疾牧?，研制了高體積比容量的水系鋅碳超級電容器，在~0.1 A cm-3電流密度下體積比容量達176 mAh cm-3，優(yōu)于同類(lèi)鋅碳電容器的文獻報道。
為了進(jìn)一步提升上述混合型鋅碳電容器整體的循環(huán)壽命，研究團隊圍繞水系鋅離子電容器面臨的鋅負極枝晶生長(cháng)和腐蝕等問(wèn)題，提出了電解液分子“結構功能區”設計理念，篩選出雙功能分子維生素B6，通過(guò)“錨定區”和“溶劑化區”分別實(shí)現負極與電解液界面的穩定重構、界面物種分布調節和脫溶動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，協(xié)同增強鋅負極在高放電深度和大倍率下的耐受性?；谠撛O計理念優(yōu)化的混合型鋅碳電容器獲得20萬(wàn)圈（>8個(gè)月）的超長(cháng)循環(huán)壽命。這項工作揭示了電解液分子“結構功能區”設計的可行性，為電極與電解質(zhì)界面的高效穩定設計提供了新思路。
上述研究結果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424255、J. Mater. Chem. A 2024, 12, 8254，材料學(xué)院博士研究生徐陽(yáng)為論文的第一作者，張世從、黃富強、林天全等老師為論文通訊作者。
