大連理工大學蹇錫高院士團隊面向國際學術前沿和國家重大戰略需求，在新型高性能超級電容電極材料的研究方面取得了新進展。超級電容器與傳統電容器相比，具有更大的比電容、更高的能量密度等特點，而與充電離子電池相比，它又具有更高的功率密度、更長的使用壽命等突出的優勢，因此超級電容器在電化學儲能領域的應用前景巨大。特別是近期特斯拉透露其自主研發的新電池有可能是「無鈷電池」，即「乾電池技術+超級電容」組合，這迅速點燃了國內外儲能領域新一輪能源革命的熱情。
多孔炭材料具有孔道結構可調控和比表面積大等特點，是目前最為廣泛使用的一類超級電容器電極材料。然而，傳統多孔炭材料比容量低，導致器件能量密度欠佳，而雜原子摻雜可有效提升材料比容量，但雜原子對於容量貢獻的影響機制仍不明晰。因此，如何基於雜原子本徵摻雜炭材料實現兼具高功率密度、高能量密度、長壽命的超級電容器的構築，依然是一個富有挑戰性的關鍵核心問題。團隊前期研發出系列電極材料並組裝成超級電容器，結果顯示能量密度可達120Wh/kg，使用壽命可超過30000次循環充放電實測考核。
蹇錫高院士團隊在前期工作基礎上，從分子設計出發，設計合成系列新型含芳雜環結構的單體，並以其為基礎可控制備一系列孔徑大小可控的共價有機網絡材料，該類材料作為超級電容器電極材料，具有突出特點及優勢：在充放電過程中電解液可以在介孔內部孔道快速傳輸，在高充放電速率下賦予電容器高倍率性能及優異的循環穩定性，在1 mol/L H2SO4電解液中、10 A/g電流密度下，經過80000次循環充放電實測考核，容量保持率仍高達123%（不但沒有降低反而上升了23%）。此外，系統探究了該類材料在高溫離子熱條件下結構的轉變，及其結構與超級電容器電容性能之間的定量關係，即吡咯氮、吡啶氮及羰基氧是贗電容的主要貢獻源。相關成果近期發表在國際知名學術刊物Nano Energy上（影響因子15.55）。
研究表明，這種合成策略可以拓展到多種含芳雜環結構的網狀材料的製備，並對材料進行分子級別精確調控，是一種製備高性能共價有機網絡材料的普適性方法。這一研究成果為拓展和深化新型高性能超級電容器電極材料的設計與構築開闢了新的技術途徑，也為高性能本徵摻雜雜原子多孔網絡材料的設計合成提供了新思路。同時，為我校功能材料專業的新工科建設提供了有力支撐。特別在疫情期間，團隊克服重重困難在有限時間內對研究內容進行詳盡補充及數據論證。
論文要點：1、採用分子工程策略設計了一系列具有均勻分布的N、O雜原子的p-TIDN；2、p-TIDN是定量研究雜原子和多孔結構電容特性的理想模板；3、吡咯氮、吡啶氮和醌氧是最有利於儲能的物質。
材料學院胡方圓副教授作為該項研究成果的第一作者，材料學院博士生張天鵬作為第二作者。這一工作得到了國家自然科學基金、重點研發計劃及中央高校基本科研業務費專項資金等資助支持。
來源 新材料資訊、大連理工大學
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303463
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