從最早的干電池，到逐漸興起的鋰離子電池、超級(jí)電容器，電化學(xué)儲(chǔ)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(dòng)汽車等行業(yè)對(duì)以電池和超級(jí)電容器為代表的電化學(xué)儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)能器件材料的行列。

富碳材料是以碳材料為主同時(shí)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。有關(guān)電化學(xué)儲(chǔ)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(wèn)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(guò)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(jì)和制備特定的材料結(jié)構(gòu)，成為研究道路上的“攔路虎”。

從理論上來(lái)說(shuō)，富碳納米儲(chǔ)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(huì)出現(xiàn)很大的影響。

孔結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)對(duì)材料的電化學(xué)性能出現(xiàn)重要影響

就拿富碳材料的孔結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)吧，電池的電極材料中要有一定數(shù)目的“孔”，能在充放電時(shí)讓電子或離子要么通過(guò)，要么存儲(chǔ)下來(lái)。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(duì)其實(shí)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(guò)程中的共性問(wèn)題。找到這類問(wèn)題的答案，才能對(duì)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(jì)，進(jìn)而提出制備富碳儲(chǔ)能材料的普適性方法。

針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控的核心問(wèn)題，上海理工大學(xué)楊俊和研究團(tuán)隊(duì)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(duì)開(kāi)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(jí)孔結(jié)構(gòu)石墨烯基三維碳材料，而這種結(jié)構(gòu)正是儲(chǔ)能材料具有循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

成功實(shí)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的調(diào)變并探明其中的用途機(jī)制，為接下來(lái)制備結(jié)構(gòu)可控、性能優(yōu)異的富碳納米材料供應(yīng)了理論支撐。

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(jí)電容器等儲(chǔ)能器件，使器件的續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)新增，安全性增強(qiáng)，就像“超級(jí)電池”相同。

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(shí)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(lái)替代石墨呢？

石墨烯基富碳納米材料就是一個(gè)很好的選擇。它的儲(chǔ)鋰容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(wú)放電平臺(tái)、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。

二維“面-面”結(jié)構(gòu)的石墨烯/SnS2鋰離子電池負(fù)極材料

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(chǔ)能電池。然而，鋰硫電池體系中存在的一系列問(wèn)題嚴(yán)重制約其性能發(fā)揮與實(shí)際應(yīng)用。首先，鋰硫電池充放電過(guò)程中會(huì)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(gè)問(wèn)題，我們?yōu)楦纳其嚵螂姵氐碾娀瘜W(xué)性能供應(yīng)了新思路。我們開(kāi)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(wèn)題；進(jìn)一步發(fā)展了原位鋰化碳/硫復(fù)合材料，對(duì)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。

可用于鋰硫電池體系的高穩(wěn)定碳/硫復(fù)合電極材料

3在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

在現(xiàn)有的各種化學(xué)儲(chǔ)能器件中，電化學(xué)電容器或超級(jí)電容器是功率密度最高的二次化學(xué)儲(chǔ)能器件，尤其適用于電動(dòng)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(jí)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(shí)極易破壞碳納米管的定向排列結(jié)構(gòu)。

我們針對(duì)這一問(wèn)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(gè)個(gè)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(jí)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。

垂直碳納米管與金屬氧化物顆粒的“線-點(diǎn)”匹配耦合

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