《Science》报道黄富强课题组介孔少层碳超级电容器的研究进展

中国科学院上海硅酸盐研究所的科研人员与北京大学、美国宾夕法尼亚大学合作，黄富强研究员、林天全副研究员、陈一苇教授等科研人员合成了一种有序介孔少层碳的新型材料，碳sp²杂化程度高达98%，少于5个原子层，具有优异的三维微观导电性能，通过氮掺杂后电化学储能特性优异，相关研究成果已发表于《科学》杂志（Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage. Science, 2015, 350 (6267), 1508-1512）。

黄富强教授。图片来源：中科院上海硅酸盐研究所

超级电容器是重要的新型储能器件，具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等特点。目前超级电容器已应用于混合电动汽车、大功率输出设备等，形成一个非常可观的市场规模，近年来保持近20%的全球增长率。但现有超级电容器仍受限于低能量密度（商用活性炭：5–7瓦时/公斤），远不如锂电池（>80瓦时/公斤），原因在于较低的比容量（<250法拉/克）。而同属炭族的石墨烯，因拥有高比表面积、优良导电率和稳定化学结构特点，久为研发热点，并有望成为下一代高性能超级电容器的理想电极材料。该团队合成了一种氮掺杂有序介孔类石墨烯碳，材料电化学储电的比容量高达855法拉/克；组装成的对称器件能快速充电和快速放电，不亚于商用碳基电容器。

氮掺杂诱导了氧化还原反应，增加了电化学储能活性，但没有降低材料的高导电率。高比表面积特性可增加电极的双电层电容；而氮掺杂进一步引入氧化还原反应，增加赝电容储能活性，同时又没有降低材料的高导电率。黄富强团队研究了利用电极材料的结构—性能之间的关系，设计氮原子在类石墨烯结构中的不同结构位点以调控电极材料的氧化还原电位，显著提高电极材料的电容量。比如，吡啶型和吡咯型氮原子的电化学活性高于石墨型的氮原子。这一发现将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。对电化学过程做深入的研究后发现，氮掺杂的介孔类石墨烯与酸性电解液之间是单个电子的转移过程。

图片来源：中科院上海硅酸盐研究所

氮掺杂尽管可以提升电极的电容量，但从循环伏安特性中可看到明显的氧化还原峰（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，电容量的损失近20%；因为电容器的两个电极在器件中是串联，整体的电容量取决于两者的最小值。这好比软、硬两种弹簧串联，其整体的弹性取决于弹性低者。为了克服这一问题，该团队采用不同氧化还原电位的电极材料复合的方法，获得循环伏安曲线近似矩形的复合电极材料。该复合电极材料组装成对称性电容器后，比电容量的衰减只降低2%，器件性能优异。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒，能量密度为41瓦时/公斤（基于活性物质为63瓦时/公斤），功率密度达到26千瓦/公斤（基于活性物质为44千瓦/公斤）。因性能较铅酸、镍氢等电池有一定的竞争优势，在快速充放方面远优于锂电池，它的研制对推动超级电容器的行业进展具有一定的意义。

这项研究得到中国国家自然科学基金等项目的支持。