世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了中科院上海硅酸鹽研究所研制出一種新型石墨烯材料的重要研究成果。據(jù)中科院上海硅酸鹽所透露，該所科學(xué)家已研制的高性能超級(jí)電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，可用作電動(dòng)車(chē)的“超強(qiáng)電池”：充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里。
超級(jí)電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車(chē)、大功率輸出設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域，形成一個(gè)非常可觀的市場(chǎng)規(guī)模，近年來(lái)保持近20%的全球增長(zhǎng)率，產(chǎn)業(yè)前景突出。但現(xiàn)有超級(jí)電容器仍受限于低能量密度(商用活性炭：5–7瓦時(shí)/公斤)，遠(yuǎn)不如鋰電池(>80瓦時(shí)/公斤)，原因在于較低的比容量(<250法拉/克)。如何讓超級(jí)電容器兼具高功率、高能量，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家并沒(méi)有找到理想材料。
為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所與北京大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)合作研究，黃富強(qiáng)研究員、陳一葦教授、林天全博士等設(shè)計(jì)合成的一種氮摻雜的有序介孔石墨烯，具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，比容量高達(dá)855法拉/克。
黃富強(qiáng)介紹，與傳統(tǒng)電極材料相比，石墨烯有四大突出優(yōu)勢(shì)：其一，高比表面積有利于產(chǎn)生高能量密度；第二，超高導(dǎo)電性有利于保持高功率密度；第三，化學(xué)結(jié)構(gòu)豐富有利于引入贗電容，提高能量密度；第四，特殊的電子結(jié)構(gòu)有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。
組裝成的對(duì)稱器件能快速充電和快速放電，不亞于商用碳基電容器。它的優(yōu)性源于：氮摻雜誘生了氧化還原反應(yīng)，也增加了電化學(xué)儲(chǔ)能活性，又沒(méi)有降低材料的高導(dǎo)電率。所研制的對(duì)稱器件在水溶液中工作安全無(wú)毒，能量密度為41瓦時(shí)/公斤(基于活性物質(zhì)為63瓦時(shí)/公斤)，功率密度達(dá)到26千瓦/公斤(基于活性物質(zhì)為44千瓦/公斤)。不僅能實(shí)現(xiàn)了高能量密度、高功率密度，而且還可以通過(guò)使用水基電解液，做到無(wú)毒、環(huán)保、價(jià)格低廉、安全可靠。該新型石墨烯超級(jí)電容器體積輕巧，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。
據(jù)介紹，該新型石墨烯超級(jí)電容器體積輕巧、不易燃也不易爆，可采用低成本制備，實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。因性能較鉛酸、鎳氫等電池有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，且在快速充放方面又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋰電池，因此該“超級(jí)電池”可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有混合電動(dòng)汽車(chē)、大功率輸出設(shè)備的更新?lián)Q代。
據(jù)權(quán)威專家表示，因性能較鉛酸、鎳氫等電池有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在快速充放方面又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋰電池，該新型石墨烯超級(jí)電容器的研制成功對(duì)推動(dòng)我國(guó)超級(jí)電容器的行業(yè)發(fā)展，提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具有重要的意義。
