儲能小知識 | 攻克儲能器件電極材料的“雙高”難關
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，是化學儲能領域極具挑戰的難題。
那么，我國科技人員在這方面做了哪些工作，工作的創新點和成果怎樣？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，中國科學院科學家團隊——上海硅酸鹽研究所先進材料與新能源應用研究團隊完成的《面向高功率儲能應用的高性能電極材料的結構設計與性能調控》項目獲2019年上海市自然科學一等獎。
該項目屬于新材料領域，無機非金屬材料學科。針對以高功率新型軍事裝備為代表的軍民高技術新裝備急需的兼具高功率與高能量電源需求，重點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難點，提出協同優化多種互為制約物理量的材料創新設計思想，發展了超越現有材料性能極限的儲能新材料多尺度結構調控制備新方法，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材料與新能源應用研究團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展，支撐了融合 “電容+電池 ”儲能優點的高能量和高功率儲能器件性能實現突破。
硅原子錨定活性氮的設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，該研究團隊基于早期設計的高比電容的氮摻雜少層碳介孔，以實現高性能氮摻雜碳的宏量制備與實際應用為導向，提出了“硅原子錨定活性氮”、“硅 - 硼 / 鋁原子協同調控活性氮類型 / 含量”、“鎂輔助調控孔結構”等材料設計與制備新思路，發明了“溶膠凝膠 - 熱處理”相結合的規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電率達150 S/cm、比電容達690 F/g、30,000次循環容量保持率達90%。已申請多項國家發明專利，相關成果發表在J. Energy Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Batteries & Supercaps 上。
針對常規金屬氧化物體相儲能難以實現高功率儲能的問題，該研究團隊運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，結合密度泛函計算態密度分布研究，發現活性氮摻雜二氧化鈦具備質子耦合電子反應的儲電新機理。
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性能
基于前期發明的“低溫還原+元素摻雜”制備高導電黑色氧化鈦的制備方法，發現9.29 at%高濃度摻雜黑色TiO2-x :N 比電容高達750 F/g，改變了寬禁帶半導體二氧化鈦無法應用于超級電容器電極的傳統認識。
針對鋰電負極材料倍率性能差的問題，該研究團隊提出可實現“離子+電子”快速遷移的“孔道+單晶”多孔單晶結構設計思想，融合體相和表面高儲能且極速充放電的優異特性。
超高倍率納孔單晶氧化鈮電極材料的設計制備與電化學性能
該研究基于前期工作中模擬自然界的熱液蝕變發明原子尺度微溶蝕法，并結合高溫低氧分壓誘導氧缺陷，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87%，具有極高的倍率性能（187 mAh/g@25C@4000 次循環、70mAh/g@250C），比容量和倍率特性遠優于氧化物性能最佳的“零應變”Li4Ti5O12材料，驗證了納孔單晶結構具有融合體相和表面的高儲能且極速充放電的優異特性，已實現宏量制備并應用于超高倍率儲能器件中，實現了200C超高倍率儲放電和高能量密度139 Wh/kg。相關成果發表在 iScience 上。
創新點
一、氮摻雜介孔少層碳的超高比電容設計與制備
設計出融合高質子贗電容與高電子遷移率的氮摻雜少層碳新結構；提出了“硅原子固定電化學活性氮”制備新思路，解決了碳材料高導電性和高活性氮共存的科學難題；制備出氮摻雜濃度高達8.5%的高導電介孔少層碳，比電容高達855 F/g，突破了石墨烯雙電層儲能理論極限550 F/g；成果發表于《科學》，被稱為“一個飛躍”和“突破性發現”。
二、缺陷結構氧化物的電荷極速脫嵌設計與制備
取得了鈦/鈮氧化物微觀結構調控與性能新突破；巧妙采用“熱解還原+元素摻雜”制備出多孔微晶結構的高載流子導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，改變了氧化鈦無法用于超級電容器的傳統認知；發明原子尺度微溶蝕法制備出孔徑＜1nm 鈦鈮氧化物納孔單晶，獨特的儲鋰倍率高達200C。
三、高導電彈性三維多孔碳的集流體設計與制備
設計高導電通道環繞活性基元密堆且滿足電荷極速充放的集流新結構；制備出共價鍵合的類金剛石結構超輕三維石墨烯管，力學和電學性能均高出同類材料 1-2個數量級，應用于動力電芯實現4分鐘充電；被稱為“輕如氣球強如金屬”超級材料、評為“2015年材料界重要發明” 和“2015石墨烯行業十大影響力事件”。
四、“雙高”快響應儲能器件的創新設計與制備
運用超高比電容極速放電和高導電高力學性能的關鍵新材料，實現了電容-電池兩種優異特性融合的貫穿儲能新理念-新材料-器件結構的系列創新；“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，優于國際同類器件。
項目成果
項目針對現有超級電容器與鋰電池無法兼顧“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-器件結構的系列創新，提出了融合“體相儲能+表層儲能”電化學儲能的新機制，發明了性能優異的系列關鍵材料和制備方法，成功研制了融合高功率密度-高能量密度兩種優異特性的新型“雙高”快響應儲能器件。經第三方機構檢測，“雙高”器件的能量密度最高達178 瓦時/千克、功率密度最高達103千瓦/千克，超過國際高功率型器件的最高水平。
八篇代表論文發表在《科學》、《先進材料》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”、“一個突破性發現”，三維石墨烯管超級材料被稱為“材料之王”、被評為“2015材料新發現、新發明”和“2015年石墨烯行業十大影響力事件”。
項目獲得國家重點研發計劃、科技部創新團隊等資助。獲授權專利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轉讓（專利許可費1千萬元），開發出4分鐘快速充放、超長壽命的高功率鋰電商業電芯，優于國際同類器件。
結 語
寫到這里，想必大家已經對高功率儲能應用的高性能電極材料以及我國科研人員所做出的貢獻有所了解。我們期待著我國科研人員能夠創造出更多的佳績。期待下次科普時與大家再見!
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