超级电容器是重要的新型储能器件,具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等特点。目前超级电容器已应用于混合电动汽车、大功率输出设备等,形成一个非常可观的市场规模,近年来保持近20%的全球增长率,产业前景突出。但现有超级电容器仍受限于低能量密度(商用活性炭:5–6 瓦时/公斤),远不如锂电池(>80瓦时/公斤),原因在于较低的比容量(<250法拉/克)。而同属碳基的石墨烯,因拥有高比表面积、优良导电率和稳定化学结构特点,久为研发热点,并有望成为下一代高性能超级电容器的理想电极材料。
黄富强教授研究团队设计合成一种氮掺杂的有序多孔碳材料,具有极佳的电化学储能特性,比容量高达855法拉/克。此项工作主要在中科院上海硅酸盐研究所完成,澳门新甫京娱乐娱城平台和美国宾西法尼亚大学参与部分工作。这种新材料组装成的对称器件能快速充电和快速放电,不亚于商用碳基电容器。它的优性源于:氮掺杂诱生了氧化还原反应,也增加了电化学储能活性,又没有降低材料的高导电率。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒,能量密度为41瓦时/公斤(基于活性物质为63瓦时/公斤),功率密度达到26千瓦/公斤(基于活性物质为44千瓦/公斤)。
若这种新型碳材料所制备成水性电解液的超级电器,与目前有机电解液超级电器驱动的公共汽车相比,行驶里程可以从5-8公里提高至25-40公里。多孔碳材料可以采用低成本制备,实现规模生产。因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,在快速充放方面又远远优于锂电池,它的研制对推动我国超级电容器的行业进展,提升行业竞争优势,具有重要的意义。
该研究结果已经2015年12月18日在《科学》期刊发表(Science 2015, 350 1508)。
这项研究得到国家自然科学基金等项目的支持。