【產(chǎn)通社，7月25日訊】中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（Shanghai Institute of Ceramics of the Chinese Academy of Sciences，SICCAS）官網(wǎng)消息，其先進(jìn)材料與新能源應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)近期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一系列重要進(jìn)展，支撐了融合“電容+電池”儲能優(yōu)點(diǎn)的高能量和高功率儲能器件性能實(shí)現(xiàn)重大突破。鋰離子電池和超級電容器是儲能原理不同、各有特點(diǎn)的兩類代表性儲能器件。鋰電池能量密度高（~250Wh kg-1），但功率密度偏低（<1kW kg-1），而超級電容器功率密度高（~15kW kg-1）但能量密度過低（<20Wh kg-1）。超越上述兩類儲能器件的儲能極限，發(fā)展兼具高能量密度和高功率密度儲能器件的新型電極材料，是化學(xué)儲能領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的世界性難題。

針對碳材料表面雙電層儲能比容量低的問題，近期該研究團(tuán)隊(duì)基于早期設(shè)計(jì)的高比電容的氮摻雜少層碳介孔（Science 2015, 350, 1508），以實(shí)現(xiàn)高性能氮摻雜碳的宏量制備與實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，提出了“硅原子錨定活性氮”、“硅-硼/鋁原子協(xié)同調(diào)控活性氮類型/含量”、“鎂輔助調(diào)控孔結(jié)構(gòu)”等材料設(shè)計(jì)與制備新思路，發(fā)明了“溶膠凝膠-熱處理”相結(jié)合的規(guī)�；苽涞獡诫s無序介孔少層碳的新方法，所得氮摻雜碳材料導(dǎo)電率達(dá)150 S/cm、比電容達(dá)690 F/g、30,000次循環(huán)容量保持率達(dá)90%。已申請多項(xiàng)國家發(fā)明專利201910419557.1、201911029332.1、 201910403912.6、201910408208.X等，相關(guān)文章鏈接：J. Energy Chem., 2020. (DOI.org/10.1016/j.jechem.2020.02.024)；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020. (DOI.org/10.1021/acsami.0c02535)；Batteries & Supercaps, 2020. (DOI.org/10.1002/batt.202000138)。 

針對常規(guī)金屬氧化物體相儲能難以實(shí)現(xiàn)高功率儲能的問題，該研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)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(jié)合密度泛函計(jì)算態(tài)密度分布研究，發(fā)現(xiàn)了活性氮摻雜二氧化鈦具備質(zhì)子耦合電子反應(yīng)的儲電新機(jī)理�；谇捌诎l(fā)明了“低溫還原+元素?fù)诫s”制備高導(dǎo)電黑色氧化鈦的制備方法（Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3007； J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17831； Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 1861；Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600452. Adv. Mater. 2017, 29, 1700136.），發(fā)現(xiàn)9.29 at%高濃度摻雜黑色TiO2-x:N比電容高達(dá)750 F/g，顛覆了寬禁帶半導(dǎo)體二氧化鈦無法應(yīng)用于超級電容器電極的傳統(tǒng)認(rèn)識。相關(guān)成果發(fā)表在Sci. China Mater. 2020, 63, 1227-1234. (DOI.org/10.1007/s40843-020-1303-4) ，相關(guān)成果已獲“氧化鈦基超級電容器電極材料及其制備方法”等授權(quán)發(fā)明專利（中國發(fā)明專利201410514027.2、國際專利PCT/CN2014/087832、美國發(fā)明專利US10192690B2、歐洲發(fā)明EP14849668.0、日本發(fā)明6550378）并進(jìn)入法國、西班牙、德國、英國等國家。 

此外，針對鋰電負(fù)極材料倍率性能差的問題，該研究團(tuán)隊(duì)提出可實(shí)現(xiàn)“離子+電子”快速遷移的“孔道+單晶”多孔單晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，融合體相和表面高儲能且極速充放電的優(yōu)異特性。該研究基于前期工作中模擬自然界的熱液蝕變發(fā)明原子尺度微溶蝕法（Gen. Chem. 2018, 4 (1), 170022； J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5719； Cell Rep. Phy. Sci. 2020, 1, 100026; ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 3315.），并結(jié)合高溫低氧分壓誘導(dǎo)氧缺陷，成功制備了高比表面積的納孔單晶黑色Nb2O5-x，儲鋰比容量253 mAh/g，電容式容量高達(dá)87%，具有極高的倍率性能（187 mAh/g@25C@4000次循環(huán)、70mAh/g@250C），比容量和倍率特性遠(yuǎn)優(yōu)于氧化物性能最佳的“零應(yīng)變”Li4Ti5O12材料，驗(yàn)證了納孔單晶結(jié)構(gòu)具有融合體相和表面的高儲能且極速充放電的優(yōu)異特性，已實(shí)現(xiàn)宏量制備并應(yīng)用于超高倍率儲能器件中，實(shí)現(xiàn)了200C超高倍率儲放電和高能量密度139 Wh/kg。相關(guān)文章：iScience, 2020, 23, 100767. (DOI. 10.1016/j.isci.2019.100767)，該研究申請中國發(fā)明專利201810088567.7、201910541802.6、202010023063.4和國際PCT專利國際專利PCT/CN2020/097181。 

上述新型高性能電極研究課題獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助和支持。相關(guān)研究成果《面向高功率儲能應(yīng)用的高性能電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控》項(xiàng)目榮獲2019年上海市自然科學(xué)一等獎。 
 
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