近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員合作，合成了一種有序介孔少層碳的新型材料，其碳的sp2雜化程度高達(dá)98%，厚度少于5個(gè)原子層，是石墨烯廣義家族中的一種新結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的三維微觀導(dǎo)電性能，經(jīng)氮摻雜后具有優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能特性。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》（Science 2015, 350 (6267), 1508-1512）雜志上。

現(xiàn)代移動(dòng)式設(shè)備、電動(dòng)汽車等要求儲(chǔ)能器件同時(shí)滿足高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命、安全可靠、價(jià)格低廉等特性，然而儲(chǔ)能器件的高能量存儲(chǔ)與快速充放通常是相互制約的。例如，鋰電池具有高能量密度（80-250瓦時(shí)/公斤），但其功率密度低、充放電速度慢；傳統(tǒng)的電容器具有極高的功率密度，但其能量密度往往很低，難以有效存儲(chǔ)能量。為了滿足高功率和高能量的要求，往往需要將二次電池和電容器聯(lián)合使用。然而，這樣不僅會(huì)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的重量和體積，還會(huì)降低能量的利用效率。

超級(jí)電容器（也稱電化學(xué)電容器）是介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、港口機(jī)械、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電等需要大功率輸出的領(lǐng)域，目前已經(jīng)形成了非?？捎^的市場(chǎng)規(guī)模，近年來(lái)保持近20%的全球增長(zhǎng)率。與電池類似，超級(jí)電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級(jí)電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲(chǔ)機(jī)理，其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高，但電容量小（<250法拉/克）；而導(dǎo)電聚合物和過(guò)渡金屬氧化物則能通過(guò)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)而獲得高的電容量，但其導(dǎo)電性較弱、穩(wěn)定性差。此外，現(xiàn)有儲(chǔ)能器件中所使用的電解液通常為有機(jī)體系，通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。

為解決上述問(wèn)題，科研人員設(shè)計(jì)合成了一種具有高比表面積的氮摻雜有序介孔少層碳材料（微觀厚度少于5層），該材料具有良好的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，比容量達(dá)855法拉/克。高比表面積特性可增加電極的雙電層電容；而氮摻雜則進(jìn)一步引入了氧化還原反應(yīng)，增加了電化學(xué)儲(chǔ)能活性，同時(shí)又能保持高導(dǎo)電率。該團(tuán)隊(duì)研究了電極材料中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。例如，吡啶型和吡咯型氮原子的電化學(xué)活性高于石墨型氮原子。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。

然而，氮摻雜盡管可以提升電極的電容量，但從其循環(huán)伏安特性中可以看到明顯的氧化還原峰，當(dāng)組裝成對(duì)稱性器件時(shí)，電容量的損失接近20%（理想超級(jí)電容器的循環(huán)伏安曲線是矩形，當(dāng)組裝成對(duì)稱性器件時(shí)，其電容量是無(wú)損失的）。這是由于電容器的兩個(gè)電極在器件中是串聯(lián)的，其整體電容量取決于兩者較小值。這就好比兩種彈性的彈簧串聯(lián)，其整體彈性取決于彈性低者。為解決這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)采用復(fù)合不同氧化還原電位電極材料的方法，獲得了循環(huán)伏安曲線近似矩形的復(fù)合電極材料，將該復(fù)合電極材料組裝成對(duì)稱性電容器后，其電容量的損失只有2%，器件性能非常優(yōu)異。目前，該器件的能量密度為41瓦時(shí)/公斤，可以和鉛酸、鎳氫（能量密度40-80瓦時(shí)/公斤）等電池相比；其功率密度高達(dá)26千瓦/公斤，遠(yuǎn)高于二次電池（<0.5千瓦/公斤）。另外，他們還采用了環(huán)保的水基電解液替代有毒有害的有機(jī)體系，提升了器件的安全性與可靠性。

此外，他們獲得的最新研究結(jié)果表明，該類材料的能量密度還可以通過(guò)拓展電化學(xué)窗口進(jìn)一步提高，獲得更高能量密度的超級(jí)電容器。此項(xiàng)研究成果對(duì)于推動(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)具有重要意義。

相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。