近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學的科研人員合作，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98%，厚度少于5個原子層，是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優(yōu)異的三維微觀導電性能，經(jīng)氮摻雜后具有優(yōu)異的電化學儲能特性。相關研究成果發(fā)表于《科學》（Science2015,350(6267),1508-1512）雜志上。

現(xiàn)代移動式設備、電動汽車等要求儲能器件同時滿足高能量密度、高功率密度、長壽命、安全可靠、價格低廉等特性，然而儲能器件的高能量存儲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/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，這樣不僅會增加儲能系統(tǒng)的重量和體積，還會降低能量的利用效率。

超級電容器（也稱電化學電容器）是介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種電化學儲能裝置，具有功率密度高、充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好等優(yōu)點，廣泛應用于交通運輸、港口機械、智能電網(wǎng)、風力發(fā)電等需要大功率輸出的領域，目前已經(jīng)形成了非常可觀的市場規(guī)模，近年來保持近20%的全球增長率。與電池類似，超級電容器主要由電極、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機理，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）；而導電聚合物和過渡金屬氧化物則能通過與電解液發(fā)生氧化還原反應而獲得高的電容量，但其導電性較弱、穩(wěn)定性差。此外，現(xiàn)有儲能器件中所使用的電解液通常為有機體系，通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。

為解決上述問題，科研人員設計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儲能特性，比容量達855法拉/克。高比表面積特性可增加電極的雙電層電容；而氮摻雜則進一步引入了氧化還原反應，增加了電化學儲能活性，同時又能保持高導電率。該團隊研究了電極材料中結構與性能之間的關系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結構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活性高于石墨型氮原子。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設計高電化學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，當組裝成對稱性器件時，電容量的損失接近20%（理想超級電容器的循環(huán)伏安曲線是矩形，當組裝成對稱性器件時，其電容量是無損失的）。這是由于電容器的兩個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。為解決這一問題，該團隊采用復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合電極材料，將該復合電極材料組裝成對稱性電容器后，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/公斤，可以和鉛酸、鎳氫（能量密度40-80瓦時/公斤）等電池相比；其功率密度高達26千瓦/公斤，遠高于二次電池（<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果表明，該類材料的能量密度還可以通過拓展電化學窗口進一步提高，獲得更高能量密度的超級電容器。此項研究成果對于推動我國超級電容器的行業(yè)發(fā)展，提升行業(yè)競爭優(yōu)勢具有重要意義。

相關研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。