來源：大連理工大學(xué)
大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)面向國際學(xué)術(shù)前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，在新型高性能超級(jí)電容電極材料的研究方面取得了新進(jìn)展。超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器相比，具有更大的比電容、更高的能量密度等特點(diǎn)，而與充電離子電池相比，它又具有更高的功率密度、更長的使用壽命等突出的優(yōu)勢(shì)，因此超級(jí)電容器在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大。特別是近期特斯拉透露其自主研發(fā)的新電池有可能是“無鈷電池”，即“干電池技術(shù)+超級(jí)電容”組合，這迅速點(diǎn)燃了國內(nèi)外儲(chǔ)能領(lǐng)域新一輪能源革命的熱情。
多孔炭材料具有孔道結(jié)構(gòu)可調(diào)控和比表面積大等特點(diǎn)，是目前最為廣泛使用的一類超級(jí)電容器電極材料。然而，傳統(tǒng)多孔炭材料比容量低，導(dǎo)致器件能量密度欠佳，而雜原子摻雜可有效提升材料比容量，但雜原子對(duì)于容量貢獻(xiàn)的影響機(jī)制仍不明晰。因此，如何基于雜原子本征摻雜炭材料實(shí)現(xiàn)兼具高功率密度、高能量密度、長壽命的超級(jí)電容器的構(gòu)筑，依然是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵核心問題。團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)出系列電極材料并組裝成超級(jí)電容器，結(jié)果顯示能量密度可達(dá)120Wh/kg，使用壽命可超過30000次循環(huán)充放電實(shí)測(cè)考核。蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上，從分子設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)合成系列新型含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的單體，并以其為基礎(chǔ)可控制備一系列孔徑大小可控的共價(jià)有機(jī)網(wǎng)絡(luò)材料，該類材料作為超級(jí)電容器電極材料，具有突出特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：在充放電過程中電解液可以在介孔內(nèi)部孔道快速傳輸，在高充放電速率下賦予電容器高倍率性能及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1 mol/L H2SO4電解液中、10 A/g電流密度下，經(jīng)過80000次循環(huán)充放電實(shí)測(cè)考核，容量保持率仍高達(dá)123%（不但沒有降低反而上升了23%）。此外，系統(tǒng)探究了該類材料在高溫離子熱條件下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，及其結(jié)構(gòu)與超級(jí)電容器電容性能之間的定量關(guān)系，即吡咯氮、吡啶氮及羰基氧是贗電容的主要貢獻(xiàn)源。相關(guān)成果近期發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)刊物Nano Energy上（影響因子15.55）。研究表明，這種合成策略可以拓展到多種含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀材料的制備，并對(duì)材料進(jìn)行分子級(jí)別精確調(diào)控，是一種制備高性能共價(jià)有機(jī)網(wǎng)絡(luò)材料的普適性方法。這一研究成果為拓展和深化新型高性能超級(jí)電容器電極材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑開辟了新的技術(shù)途徑，也為高性能本征摻雜雜原子多孔網(wǎng)絡(luò)材料的設(shè)計(jì)合成提供了新思路。同時(shí)，為我校功能材料專業(yè)的新工科建設(shè)提供了有力支撐。特別在疫情期間，團(tuán)隊(duì)克服重重困難在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行詳盡補(bǔ)充及數(shù)據(jù)論證。
材料學(xué)院胡方圓副教授作為該項(xiàng)研究成果的第一作者，材料學(xué)院博士生張?zhí)禊i作為第二作者。這一工作得到了國家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等資助支持。
