[01475758]碳基高性能电化学储能复合电极材料的开发和应用

本项目属于新能源领域的储能碳电极材料的制备与开发。 开发大容量和高倍率性储能器件的是清洁能源高效利用的关键技术之一。虽然锂电池和超级电容器是目前应用最为广泛的储能技术,但逐渐无法满足如新型电子设备、新能源汽车等领域的对储能器件更高的要求。目前商业化的锂离子电池负极和超级电容器电极都由碳材料构成,其储能能力受到碳材料比容量以及载流子传输能力的限制。因此在保证电极高导电性的同时增加比容量,成为改善储能器件性能的重点也是难点。杂原子掺杂可有效地提高碳材料电化学储能面积和活性位点数,但高杂原子含量也会影响电极材料导电性。另外,一些金属氧化物/碳复合电极材料的比容量远高于碳电极,但受充放电过程中体积膨胀的影响降低了其稳定性。材料的结构决定其性能,故深入研究杂化多孔碳及其金属氧化物复合材料的结构与储能的构-效关系,并基于结构控制开发储能性能优异的碳基复合电极材料,对推动储能技术的升级具有重要意义。 本项目针对上述关键问题,通过结构设计、纳米复合、形貌调控等方法显著提升了碳材料的电化学性能,开发了高性能杂化共轭多孔碳及其金属氧化物纳米复合电极用于锂电池和超级电容器,主要发明点包括： （1）发明了新型杂化共轭多孔碳材料的制备方法,可作为载体材料增强了碳材料与金属氧化物的结合力,提高复合材料稳定性。首次制备了氮含量高达18 at%的大比表面积杂化碳电极（比表面4594 ㎡/g,同期有报道最高）,在保证碳电极导电性的前提下引入大量杂原子,提高了碳材料的比容量。 （2）国际上首次发明了竞争吸附再沉积调控金属氧化物纳米结构的方法,通过碳载体表面修饰、配体分子结构调控、纳米颗粒成核与生长的动力学控制,实现了多层复合碳/金属氧化物纳米材料的可控制备。该方法得到多位知名专家如赵东元院士等的高度评价。优化后的结构缩短了载流子迁移距离,因此具有超高的界面储能效率。用于超级电容器在20A/g电流密度下比容量高达585 F/g,远高于商用超级电容器（约140 F/g）。 （3）发明了高分子辅助金属氧化物/碳纳米复合材料的宏量制备方法。通过溶胶－凝胶、竞争吸附再沉积等方法调控材料纳米构型,在杂化共轭多孔碳上化学“锚定”了金属氧化物纳米晶。该复合材料兼具碳材料的高导电性和金属氧化物大容量等优点,同时克服了无机物充放电过程中的体积膨胀。用作负极显著提高了锂离子电池容量和倍率性,生产的电池可10C放电,质量能量密度达到了190Wh/kg（商业石墨负极容量的1.5倍）,可稳定循环1000次。 本项目开发的金属氧化物/多空碳纳米复合负极材料已经在上海空间电源研究所等两企业得到了应用,生产的电池主要用于消费电子以及北斗导航等航天装备中,产生经济效益16617万元,新增利润2668万元。 本项目授权发明专利12件,在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS nano等期刊上发表SCI论文66篇,SCI他引2131次。推动了能源化学、物理化学和材料化学学科的融合,为高性能二次电池提供了高效的电极材料和切实有效的制备技术,为清洁能源的综合利用奠定了基础。