今天上午，憑借“富碳納米儲能材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電化學(xué)行為”項目，上海理工大學(xué)楊俊和團(tuán)隊獲得了上海市自然科學(xué)一等獎，為高效儲能器件的設(shè)計與制備提供了理論支撐。

【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(dāng)今社會發(fā)展最快的新型材料?！睏羁『徒淌诟嬖V記者，湖南馬王堆漢墓中，女尸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杰作。女生感興趣的鉆石，也是由碳元素組成。近30年來，對于碳納米管、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，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、超級電容器和其他新型儲能器件，無不把碳作為其關(guān)鍵材料之一。之所以如此，是因為碳材料具有的結(jié)構(gòu)多樣性和適合于多尺度精準(zhǔn)調(diào)控，高導(dǎo)電、高比表面等優(yōu)點。

“過去，電池的電極材料使用的是普通石墨。現(xiàn)在，新型儲能器件對其結(jié)構(gòu)提出了更高的要求?！睏羁『驼f。為了找到合適的儲能材料，楊俊和與團(tuán)隊開始了對富碳納米儲能材料的研究?！案惶肌钡囊馑际且蕴疾牧蠟橹鞯尤肫渌氐牟牧?。由于富碳材料的結(jié)構(gòu)多樣性等特質(zhì)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)難以精準(zhǔn)控制和定向合成，這也為楊俊和的研究發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

楊俊和教授（右）與團(tuán)隊對富碳納米儲能材料進(jìn)行研究

【為新型富碳納米儲能材料提供理論依據(jù)】

在對富碳材料進(jìn)行設(shè)計和調(diào)控時，需要解決幾個核心問題：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。為了達(dá)到這些要求，突破現(xiàn)有的瓶頸，首先要形成關(guān)于碳材料結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)認(rèn)識，之后才能將儲能材料的結(jié)構(gòu)制備出來。

如何解決儲能材料的這幾個核心問題？楊俊和教授帶領(lǐng)團(tuán)隊就此展開攻關(guān)。通過十年的持續(xù)研究，項目組取得了不少科學(xué)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？對此，楊俊和團(tuán)隊提出了π-π共軛誘導(dǎo)和原子摻雜策略，證明了π-π共軛誘導(dǎo)和碳-氮共價鍵協(xié)同作用是高強(qiáng)度三維組裝體形成的內(nèi)在原因，而這種三維高強(qiáng)度也是富碳儲能材料循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

楊俊和教授

此外，團(tuán)隊還闡明孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)對硫穩(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。這一發(fā)現(xiàn)被國際著名鋰電池科學(xué)家、美國奧斯汀大學(xué)曼迪亞姆（Manthiram）教授評價為“發(fā)展了最接近實用化生產(chǎn)硫化鋰/碳復(fù)合材料的途徑”。

團(tuán)隊也提出了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)了該類材料在儲能電池和超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用研究和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

【科研成果推動電池行業(yè)發(fā)展】

“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。”楊俊和說。記者注意到，項目研究成果除發(fā)表一百多篇高水平學(xué)術(shù)論文外，還取得有28項中國發(fā)明專利和3項國際專利。一項基礎(chǔ)研究成果，為何有這么多授權(quán)專利？楊俊和表示，團(tuán)隊在做基礎(chǔ)科學(xué)研究的同時，始終沒有忘記目標(biāo)是推動電池行業(yè)的發(fā)展。為了解決行業(yè)里的共性問題，他們在基礎(chǔ)研究科研攻關(guān)同時，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)。

怎樣將科研成果走出實驗室，運(yùn)用到實際生產(chǎn)中？目前，相關(guān)項目正在推動產(chǎn)業(yè)化，團(tuán)隊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)平臺首批入駐項目。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。

石墨烯基電池材料中試生產(chǎn)

鋰硫電池已成為新一代動力電源發(fā)展中的重點，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。上理工這一研究成果有望解決電池材料問題，進(jìn)一步推動國內(nèi)鋰硫電池、超級電容器的產(chǎn)業(yè)化。值得一提的是，這也是我國科研團(tuán)隊在基礎(chǔ)理論研究取得的一大進(jìn)展。

從2008年組建團(tuán)隊，開辟碳材料研究方向以來，項目已經(jīng)堅持了十多年，近10名教師、100多名學(xué)生參與其中。楊俊和告訴記者，團(tuán)隊也曾經(jīng)遇到難以突破的瓶頸，幸好在國家及上海科技項目的持續(xù)支持下，他們踏踏實實從基礎(chǔ)研究做起，一直堅持至今。在他看來，上海市科委對基礎(chǔ)研究的一貫大力支持，也讓上理工等地方高校的基礎(chǔ)研究創(chuàng)新能力不斷加強(qiáng)。接下來，團(tuán)隊在繼續(xù)深化基礎(chǔ)理論研究同時，將著力推動已有的成果不斷轉(zhuǎn)化成技術(shù)，應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，實現(xiàn)基礎(chǔ)研究、技術(shù)發(fā)明、成果產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈貫通。