隨著新能源電動(dòng)汽車的普及，續(xù)航里程已成為阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的問題之一。如何制造出續(xù)航里程長、循環(huán)次數(shù)多又足夠安全的“超級(jí)電池”？

在今年的上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，憑借“富碳納米儲(chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電化學(xué)行為”項(xiàng)目，楊俊和團(tuán)隊(duì)獲得了上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，為高效儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)與制備提供了理論支撐。

攻關(guān)性能優(yōu)異負(fù)極材料

上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長楊俊和教授告訴記者，近30年來，對(duì)于碳納米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接連讓相關(guān)科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，新型碳材料的研究已經(jīng)成為當(dāng)下熱門的前沿科研領(lǐng)域。

碳材料和電池又有什么關(guān)系？原來，碳材料是電化學(xué)儲(chǔ)能器件的關(guān)鍵材料。從最早的干電池，到正在快速發(fā)展的鋰離子電池、超級(jí)電容器和其他新型儲(chǔ)能器件，無不把碳作為其關(guān)鍵材料之一。之所以如此，是因?yàn)樘疾牧系慕Y(jié)構(gòu)具有多樣性，適合于多尺度精準(zhǔn)調(diào)控，而且具備高導(dǎo)電、高比表面等優(yōu)點(diǎn)。為了找到合適的儲(chǔ)能材料，上理工團(tuán)隊(duì)開始了對(duì)富碳納米儲(chǔ)能材料的研究。由于富碳材料結(jié)構(gòu)多樣，難以精準(zhǔn)控制和定向合成，對(duì)研究發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。

在對(duì)富碳材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控時(shí)，需要解決幾個(gè)核心問題：如何延長電池的續(xù)航里程，增加電池的循環(huán)次數(shù)，增強(qiáng)電池的安全性？為了解決儲(chǔ)能材料的這幾個(gè)核心問題，楊俊和教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)就此展開攻關(guān)，取得了不少進(jìn)展。比如，電化學(xué)電池的電極材料中，需要有一定的“孔”，能在充電時(shí)讓離子通過。這些孔應(yīng)該是大是小，是圓是方？孔如何有序、有尺度地分布？對(duì)此，楊俊和團(tuán)隊(duì)提出了π-π共軛誘導(dǎo)和原子摻雜策略。此外，團(tuán)隊(duì)還闡明孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)對(duì)硫穩(wěn)定作用的基本規(guī)律，發(fā)展基于納米限域和化學(xué)鍵合的合成策略。這解決了硫的導(dǎo)電性差、多硫化物在電解質(zhì)中的溶解等關(guān)鍵問題，開辟了高性能安全鋰硫電池的新途徑。

團(tuán)隊(duì)提出碳與活性組元維度匹配復(fù)合新思路及性能優(yōu)化策略，制備出性能優(yōu)異的電池負(fù)極材料。由此，他們?yōu)樾滦透惶技{米復(fù)合儲(chǔ)能材料的制備提供了一套完整的理論，促進(jìn)了該類材料在儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用研究和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

一開始就從產(chǎn)業(yè)化思考

“研究一開始，我們就從能產(chǎn)業(yè)化的大批量制備方向來思考其理論問題，這樣才能讓基礎(chǔ)科研成果真正投入應(yīng)用?！庇浾咦⒁獾?，項(xiàng)目研究成果除發(fā)表100多篇高水平學(xué)術(shù)論文外，還取得28項(xiàng)中國發(fā)明專利和3項(xiàng)國際專利。一項(xiàng)基礎(chǔ)研究成果，為何有這么多授權(quán)專利？楊俊和表示，團(tuán)隊(duì)在做基礎(chǔ)科學(xué)研究的同時(shí)，始終沒有忘記目標(biāo)是推動(dòng)電池行業(yè)的發(fā)展。為了解決行業(yè)里的共性問題，他們?cè)诨A(chǔ)研究科研攻關(guān)的同時(shí)，取得了一系列技術(shù)發(fā)明突破。這些專利也將變成電池制造領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。

目前，相關(guān)項(xiàng)目正在推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，團(tuán)隊(duì)與中國新綸科技等國內(nèi)外企業(yè)開展了合作，部分核心技術(shù)也是上海市石墨烯技術(shù)產(chǎn)業(yè)平臺(tái)首批入駐項(xiàng)目。據(jù)了解，一批石墨烯基電池材料已在中試階段，這些材料將用于超級(jí)電容器、鋰硫電池中，并運(yùn)用在工業(yè)、生活等領(lǐng)域的方方面面。

鋰硫電池已成為新一代動(dòng)力電源發(fā)展中的重點(diǎn)，鋰硫電池未來將代替鋰離子電池，這是國內(nèi)普遍達(dá)成的共識(shí)。上理工這一研究成果有望解決電池材料問題，進(jìn)一步推動(dòng)國內(nèi)鋰硫電池、超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化。值得一提的是，這也是我國科研團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)理論研究取得的一大進(jìn)展。