'充電5分鐘, 通話2小時' , 這句耳熟能詳的廣告語道出了人們對於快充, 甚至秒充電池的迫切需求.
近日, 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室朱美芳教授-廖耀祖教授合作團隊和德國柏林工業大學阿納托馬斯 (Arne Thomas) 教授課題組以創新方法製備新型電極材料, 讓兼具快速充放電和大儲能量的超級電容器成為可能, 相關研究成果發表在國際知名學術期刊《先進材料》 (Advanced Materials 2018, 30, 1705710》 (最新影響因子19.791) . 東華大學系該論文第一完成單位, 廖耀祖教授為第一作者並與阿納托馬斯教授為共同通訊作者.
(《先進材料》官網發表研究論文)
曾有專家預計, 全球能源礦產資源僅夠支撐不到100年, 我國的石油只能支撐國內消耗30年, 煤炭最多能支撐100年, 以化石燃料為主的現有能源結構導致全球面臨嚴重的能源危機, 亟需尋找可替代的能源存儲與轉換方式.
超級電容器作為一種新型的綠色儲能方式, 與傳統電池相比, 具有充放電速度快, 綠色無汙染, 能量密度大以及迴圈穩定性好等優點, 一經問世, 便受到人們的廣泛關注.
廖耀祖教授表示, 要提高超級電容器的綜合性能, 關鍵在於尋找合適的電極材料, 超級電容器的儲能機制分為雙電層和贗電容儲能兩種, 對應的電極材料為碳材料和導電聚合物. '一般的導電聚合物是線性的, 大電流傳輸過程中容易膨脹分解, 而多孔碳材料雖然穩定性較好但是電能存儲量有限, 我們做的事情就是要研製高比電容, 高倍率和高迴圈穩定性的電極材料, 最大限度地發揮兩種儲能機制. '
(氨基蒽醌多孔共軛聚合物設計及其超級電容器組裝)
經過反覆實驗, 科研團隊提出Buchwald-Hartwig交叉偶聯方法製備主鏈含氮, 側基含氧 (N, O含量高達20%) 的氨基蒽醌多孔共軛聚合物, 採用 '化學編織' 方式設計這種聚合物分子網路結構, 從而優化材料的氧化還原活性, 在保證快速充放電的同時提高電極的可存儲電量; 利用多孔共軛聚合物骨架自身所具備的孔道結構, 促進電解質的傳輸, 避免電極材料的溶脹和收縮. 實驗測算結果顯示, 研製的三電極超級電容器在1A/g低電流密度下比電容高達576F/g, 10A/g高電流密度下比電容仍然維持410F/g, 迴圈使用6000次後可仍然保持85%起始電容, 表現出優異的倍率和迴圈性能; 進而組裝成非對稱雙電極超級電容器的操作窗口寬, 功率和能量密度分別高達1300W/kg和60Wh/kg, 迴圈2000次性能無衰減.
據悉, 該研究工作為電化學能源存儲有機多孔材料的理性設計提供了新思路. 隨著電極材料性能的不斷研發和完善, 主打綠色環保, 快充和高效可迴圈特色牌的超級電容器將成為未來能源市場的 '香餑餑' , 超級電容器也必將從實驗室走入尋常百姓家, 在新能源汽車, 家用電器, 智能可穿戴設備, 航空航天, 軌道交通以及軍事等領域都有著巨大的發展潛力和應用前景.
