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皇冠金沙高性能超级电容器用新型杂原子本征掺杂多孔网络电极材料研究取得新进展

编辑:材料学院 来源:材料学院 时间:2020-05-22 15:56

大连理工大学蹇锡高院士团队面向国际学术前沿和国家重大战略需求,在新型高性能超级电容电极材料的研究方面取得了新进展。超级电容器与传统电容器相比,具有更大的比电容、更高的能量密度等特点,而与充电离子电池相比,它又具有更高的功率密度、更长的使用寿命等突出的优势,因此超级电容器在电化学储能领域的应用前景巨大。特别是近期特斯拉透露其自主研发的新电池有可能是“无钴电池”,即“干电池技术+超级电容”组合,这迅速点燃了国内外储能领域新一轮能源革命的热情。

多孔炭材料具有孔道结构可调控和比表面积大等特点,是目前最为广泛使用的一类超级电容器电极材料。然而,传统多孔炭材料比容量低,导致器件能量密度欠佳,而杂原子掺杂可有效提升材料比容量,但杂原子对于容量贡献的影响机制仍不明晰。因此,如何基于杂原子本征掺杂炭材料实现兼具高功率密度、高能量密度、长寿命的超级电容器的构筑,依然是一个富有挑战性的关键核心问题。团队前期研发出系列电极材料并组装成超级电容器,结果显示能量密度可达120Wh/kg,使用寿命可超过30000次循环充放电实测考核。

蹇锡高院士团队在前期工作基础上,从分子设计出发,设计合成系列新型含芳杂环结构的单体,并以其为基础可控制备一系列孔径大小可控的共价有机网络材料,该类材料作为超级电容器电极材料,具有突出特点及优势:在充放电过程中电解液可以在介孔内部孔道快速传输,在高充放电速率下赋予电容器高倍率性能及优异的循环稳定性,在1 mol/L H2SO4电解液中、10 A/g电流密度下,经过80000次循环充放电实测考核,容量保持率仍高达123%(不但没有降低反而上升了23%)。此外,系统探究了该类材料在高温离子热条件下结构的转变,及其结构与超级电容器电容性能之间的定量关系,即吡咯氮、吡啶氮及羰基氧是赝电容的主要贡献源。相关成果近期发表在国际知名学术刊物Nano Energy上(影响因子15.55)。

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研究表明,这种合成策略可以拓展到多种含芳杂环结构的网状材料的制备,并对材料进行分子级别精确调控,是一种制备高性能共价有机网络材料的普适性方法。这一研究成果为拓展和深化新型高性能超级电容器电极材料的设计与构筑开辟了新的技术途径,也为高性能本征掺杂杂原子多孔网络材料的设计合成提供了新思路。同时,为我校功能材料专业的新工科建设提供了有力支撑。特别在疫情期间,团队克服重重困难在有限时间内对研究内容进行详尽补充及数据论证。

材料学院胡方圆副教授作为该项研究成果的第一编辑,材料学院博士生张天鹏作为第二编辑。这一工作得到了国家自然科学基金、重点研发计划及中央高校基本科研业务费专项资金等资助支撑。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303463

责任编辑:王增强



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