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（~250 Wh kg-1），但功率密度偏低（＜1 kW kg-1），而超級電容器功率密度高（~15 kW kg-1）但能量密度過低（＜20 Wh 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)的難題。
近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所先進(jìn)材料與新能源應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)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系列進(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)突破。
針對碳材料表面雙電層儲能比容量低的問題，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，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)模化制備氮摻雜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，相關(guān)成果發(fā)表在J. Energy Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Batteries & Supercaps上。
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)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。基于前期發(fā)明的“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，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，改變了寬禁帶半導(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.上。
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，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)成果發(fā)表在iScience上。
相關(guān)研究獲得國家重點(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)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)目獲2019年上海市自然科學(xué)一等獎。
硅原子錨定活性氮的設(shè)計(jì)制備與超高比電容性能
氮摻雜黑色二氧化鈦及其作為超級電容器活性材料的電化學(xué)性能
超高倍率納孔單晶氧化鈮電極材料的設(shè)計(jì)制備與電化學(xué)性能
