中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
儲(chǔ)能電池是推動(dòng)可再生能源普及、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。電池和超級(jí)電容器是兩類代表性的電化學(xué)儲(chǔ)能電池器件，因其電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)理不同，有各自的優(yōu)缺點(diǎn):電池的能量密度高、自放電率低，但倍率性能相對(duì)較差、功率密度較低；而超級(jí)電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長、安全性更好等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度較低。為了滿足高能量密度下大電流充放電的需求，將電池和超級(jí)電容器相結(jié)合形成的混合型超級(jí)電容器，如鋰（鋅）離子電容器，綜合了電池和超級(jí)電容器兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有高功率密度，長循環(huán)壽命、適中的能量密度等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)調(diào)頻、無架空線的有軌電車、自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV)、智能水電氣表等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。
電極材料是決定混合型超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵?；钚蕴烤哂懈弑缺砻娣e、豐富孔道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)易修飾等特點(diǎn)，是超級(jí)電容器常用的電極材料。然而，商用的多孔活性炭在超級(jí)電容器實(shí)際應(yīng)用過程中面臨著幾個(gè)問題：一是受限于雙電層物理吸附儲(chǔ)能機(jī)理，其比容量有限；二是多孔結(jié)構(gòu)會(huì)降低導(dǎo)電性和材料密度，難以實(shí)現(xiàn)高容量與高導(dǎo)電的致密儲(chǔ)能；三是活性炭的含氧官能團(tuán)，在充放電過程中易發(fā)生副反應(yīng)，循環(huán)穩(wěn)定性較差。
上海交通大學(xué)材料學(xué)院黃富強(qiáng)/林天全老師團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問題，從儲(chǔ)能機(jī)制探索、材料設(shè)計(jì)合成到器件界面調(diào)控層層遞進(jìn)，突破了傳統(tǒng)活性炭正極的容量和工作電壓的限制，設(shè)計(jì)了碳基致密儲(chǔ)能材料，提升了鋅/鋰離子電容器的比容量、循環(huán)壽命、工作電壓等關(guān)鍵性能，為發(fā)展高能量密度、高功率密度和長循環(huán)壽命的儲(chǔ)能器件提供新路徑。
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)多孔碳材料壓實(shí)密度低、多孔結(jié)構(gòu)與高導(dǎo)電性難以兼得等難題，篩選具有二維共軛結(jié)構(gòu)的共價(jià)三嗪框架為前驅(qū)體，發(fā)展了低溫熔鹽合成致密多孔碳材料的方法，探明了影響致密碳材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素，揭示了基于H+/Zn2+可逆吸脫附的電化學(xué)儲(chǔ)能微觀機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，獲得的碳材料的壓實(shí)密度達(dá)1.1 g cm-3，優(yōu)于傳統(tǒng)超級(jí)電容器碳材料壓實(shí)密度（0.6 g cm-3）?；谏鲜鲋旅芴疾牧?，研制了高體積比容量的水系鋅碳超級(jí)電容器，在~0.1 A cm-3電流密度下體積比容量達(dá)176 mAh cm-3，優(yōu)于同類鋅碳電容器的文獻(xiàn)報(bào)道。
為了進(jìn)一步提升上述混合型鋅碳電容器整體的循環(huán)壽命，研究團(tuán)隊(duì)圍繞水系鋅離子電容器面臨的鋅負(fù)極枝晶生長和腐蝕等問題，提出了電解液分子“結(jié)構(gòu)功能區(qū)”設(shè)計(jì)理念，篩選出雙功能分子維生素B6，通過“錨定區(qū)”和“溶劑化區(qū)”分別實(shí)現(xiàn)負(fù)極與電解液界面的穩(wěn)定重構(gòu)、界面物種分布調(diào)節(jié)和脫溶動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，協(xié)同增強(qiáng)鋅負(fù)極在高放電深度和大倍率下的耐受性?；谠撛O(shè)計(jì)理念優(yōu)化的混合型鋅碳電容器獲得20萬圈（>8個(gè)月）的超長循環(huán)壽命。這項(xiàng)工作揭示了電解液分子“結(jié)構(gòu)功能區(qū)”設(shè)計(jì)的可行性，為電極與電解質(zhì)界面的高效穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供了新思路。
上述研究結(jié)果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424255、J. Mater. Chem. A 2024, 12, 8254，材料學(xué)院博士研究生徐陽為論文的第一作者，張世從、黃富強(qiáng)、林天全等老師為論文通訊作者。
