隨著新能源電動汽車的普及，續航里程已成為阻礙電動汽車發展的問題之一。如何製造出續航里程長、循環次數多又足夠安全的“超級電池”？上海理工大學材料科學與工程學院教授楊俊和表示，用於製作電極的碳材料是決定儲能器件電化學性能的關鍵。
在之前舉行的2018年度上海市科學技術獎勵大會上，憑藉“富碳納米儲能材料的結構調控及其電化學行為”項目，上海理工大學楊俊和團隊獲得了上海市自然科學一等獎，為高效儲能器件的設計與製備提供了理論支撐。
神奇的碳材料
“碳材料是非常神奇的材料。它是人類使用的最古老材料，又是當今社會發展最快的新型材料。”楊俊和教授說，湖南馬王堆漢墓中，女屍埋藏地下二千多年而不腐，就是中國兩千多年前使用木炭的傑作。女生感興趣的鑽石，也是由碳元素組成。近30年來，對於碳納米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接連讓相關科學家獲得諾貝爾獎，新型碳材料的研究已經成為當下熱門的前沿科研領域。
碳材料和電池又有什麼關係？原來，碳材料是電化學儲能器件的關鍵材料。從最早的乾電池，到正在快速發展的鋰離子電池、超級電容器和其他新型儲能器件，無不把碳作為其關鍵材料之一。之所以如此，是因為碳材料具有的結構多樣性和適合於多尺度精準調控，高導電、高比表面等優點。
“過去，電池的電極材料使用的是普通石墨。現在，新型儲能器件對其結構提出了更高的要求。” 楊俊和說。為了找到合適的儲能材料，楊俊和與團隊開始了對富碳納米儲能材料的研究。“富碳”的意思是以碳材料為主但加入其它元素的材料。由於富碳材料的結構多樣性等特質，導致其結構難以精準控制和定向合成，這也為楊俊和的研究發展帶來了機遇與挑戰。
楊俊和教授（右）與團隊對富碳納米儲能材料進行研究
為新型富碳納米儲能材料提供理論依據
在對富碳材料進行設計和調控時，需要解決幾個核心問題：延長電池的續航里程，增加電池的循環次數，增強電池的安全性。為了達到這些要求，突破現有的瓶頸，首先要形成關於碳材料結構的精準認識，之後才能將儲能材料的結構製備出來。
如何解決儲能材料的這幾個核心問題？楊俊和教授帶領團隊就此展開攻關。通過十年的持續研究，項目組取得了不少科學進展。比如，電化學電池的電極材料中，需要有一定的“孔”，能在充電時讓離子通過。這些孔應該是大是小，是圓是方？孔如何有序、有尺度地分佈？對此，楊俊和團隊提出了π-π共軛誘導和原子摻雜策略，證明了π-π共軛誘導和碳-氮共價鍵協同作用是高強度三維組裝體形成的內在原因，而這種三維高強度也是富碳儲能材料循環穩定性的基礎。
楊俊和教授
此外，團隊還闡明孔結構與表面化學對硫穩定作用的基本規律，發展基於納米限域和化學鍵合的合成策略。這解決了硫的導電性差、多硫化物在電解質中的溶解等關鍵問題，開闢了高性能安全鋰硫電池的新途徑。這一發現被國際著名鋰電池科學家、美國奧斯汀大學曼迪亞姆（Manthiram）教授評價為“發展了最接近實用化生產硫化鋰/碳複合材料的途徑”。
團隊也提出了碳與活性組元維度匹配複合新思路及性能優化策略，製備出性能優異的電池負極材料。由此，他們為新型富碳納米複合儲能材料的製備提供了一套完整的理論，促進了該類材料在儲能電池和超級電容器領域的應用研究和相關學科的發展。
科研成果推動電池行業發展
“研究一開始，我們就從能產業化的大批量製備方向來思考其理論問題，這樣才能讓基礎科研成果真正投入應用。”楊俊和說。項目研究成果除發表一百多篇高水平學術論文外，還取得有28項中國發明專利和3項國際專利。一項基礎研究成果，為何有這麼多授權專利？楊俊和表示，團隊在做基礎科學研究的同時，始終沒有忘記目標是推動電池行業的發展。為了解決行業裡的共性問題，他們在基礎研究科研攻關同時，取得了一系列技術發明突破。這些專利也將變成電池製造領域的相關技術。
怎樣將科研成果走出實驗室，運用到實際生產中？目前，相關項目正在推動產業化，團隊與中國新綸科技等國內外企業開展了合作，部分核心技術也是上海市石墨烯技術產業平臺首批入駐項目。據瞭解，一批石墨烯基電池材料已在中試階段，這些材料將用於超級電容器、鋰硫電池中，並運用在工業、生活等領域的方方面面。
石墨烯基電池材料中試生產
鋰硫電池已成為新一代動力電源發展中的重點，鋰硫電池未來將代替鋰離子電池，這是國內普遍達成的共識。上理工這一研究成果有望解決電池材料問題，進一步推動國內鋰硫電池、超級電容器的產業化。值得一提的是，這也是我國科研團隊在基礎理論研究取得的一大進展。
從2008年組建團隊，開闢碳材料研究方向以來，項目已經堅持了十多年，近10名教師、100多名學生參與其中。楊俊和表示，團隊也曾經遇到難以突破的瓶頸，幸好在國家及上海科技項目的持續支持下，他們踏踏實實從基礎研究做起，一直堅持至今。在他看來，上海市科委對基礎研究的一貫大力支持，也讓上理工等地方高校的基礎研究創新能力不斷加強。接下來，團隊在繼續深化基礎理論研究同時，將著力推動已有的成果不斷轉化成技術，應用於生產實踐中，實現基礎研究、技術發明、成果產業化的創新鏈貫通。
閱讀更多 上海科普 的文章
