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鋰離子電池和超級電容器是儲能原理不同、各有特點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，是化學儲能領域極具挑戰(zhàn)的難題。

近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所先進材料與新能源應用研究團隊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展，支撐了融合“電容+電池”儲能優(yōu)點的高能量和高功率儲能器件性能實現突破。

針對碳材料表面雙電層儲能比容量低的問題，該研究團隊基于早期設計的高比電容的氮摻雜少層碳介孔，以實現高性能氮摻雜碳的宏量制備與實際應用為導向，提出了“硅原子錨定活性氮”、“硅-硼/鋁原子協同調控活性氮類型/含量”、“鎂輔助調控孔結構”等材料設計與制備新思路，發(fā)明了“溶膠凝膠-熱處理”相結合的規(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電率達150 S/cm、比電容達690 F/g、30,000 次循環(huán)容量保持率達90%。已申請多項國家發(fā)明專利，相關成果發(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現高功率儲能的問題，該研究團隊運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，結合密度泛函計算態(tài)密度分布研究，發(fā)現活性氮摻雜二氧化鈦具備質子耦合電子反應的儲電新機理。基于前期發(fā)明的“低溫還原+元素摻雜”制備高導電黑色氧化鈦的制備方法，發(fā)現9.29 at%高濃度摻雜黑色TiO2-x:N比電容高達750 F/g，改變了寬禁帶半導體二氧化鈦無法應用于超級電容器電極的傳統認識。相關成果發(fā)表在Sci. China Mater.上。

針對鋰電負極材料倍率性能差的問題，該研究團隊提出可實現“離子+電子”快速遷移的“孔道+單晶”多孔單晶結構設計思想，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，并結合高溫低氧分壓誘導氧缺陷，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優(yōu)于氧化物性能最佳的“零應變”Li4Ti5O12材料，驗證了納孔單晶結構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，已實現宏量制備并應用于超高倍率儲能器件中，實現了200C超高倍率儲放電和高能量密度139 Wh/kg。相關成果發(fā)表在iScience上。

相關研究獲得國家重點研發(fā)計劃、科技部重點領域創(chuàng)新團隊等項目的資助和支持。相關成果《面向高功率儲能應用的高性能電極材料的結構設計與性能調控》項目獲2019年上海市自然科學一等獎。 

原標題：上海硅酸鹽所新型高功率儲能電極材料研究取得系列進展