斯坦福大學(xué)(Stanford University)的科學(xué)家創(chuàng)造了一種新型碳材料，它可以顯著提高電池能量存儲(chǔ)的性能。這一研究成果作為封面文章發(fā)表在了ACS Central Science上。

Zhenan Bao是這項(xiàng)研究的主要作者，也是斯坦福大學(xué)化學(xué)工程的教授。他說道：“我們已經(jīng)開發(fā)出的‘設(shè)計(jì)碳’是多用途的，并且是可以進(jìn)行控制的。研究表明，這種材料具有優(yōu)秀的能源儲(chǔ)存性能，能夠使得鋰硫電池和超級(jí)電容具有高性能。”

圖片說明：碳設(shè)計(jì)（designer carbon）能夠提高能量?jī)?chǔ)備性能。圖片來源：John To and Zheng Chen, Stanford University

根據(jù)Bao的研究，這一新的設(shè)計(jì)碳比傳統(tǒng)的活性炭(廣泛用于水過濾器和空氣除臭劑的廉價(jià)材料)具有更好的性能。

Bao說道：“許多活性炭是由椰子殼做成的，為了將椰子殼變成活性炭，我們需要對(duì)它進(jìn)行高溫?zé)坪突瘜W(xué)處理。”

激活碳的過程中，會(huì)產(chǎn)生納米孔，從而增加了碳的表面積，使得它能催化更多的化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)存更多的電荷。

Bao補(bǔ)充說道，活性炭有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，例如，空洞之間缺乏互聯(lián)互通，使得電力傳輸能力受到限制。

Bao說：“活性炭無法控制孔洞間的連通性。同樣，從椰子殼制作的活性炭也含有大量的雜質(zhì)。作為冰箱除臭劑，傳統(tǒng)的活性炭沒有問題，但是它不能提供電子設(shè)備和能源存儲(chǔ)這方面的良好性能。”

三維網(wǎng)絡(luò)

Bao和他的同事開發(fā)了一種新方法，他們使用成本相對(duì)便宜且無污染的化合物和聚合物而不是椰子殼，合成了一種高質(zhì)量的碳。

這個(gè)過程開始于導(dǎo)電水凝膠，一種海綿狀紋理的水基聚合物。

Bao說道：“水凝膠聚合物形成一個(gè)互聯(lián)互通的三維框架，這個(gè)框架適合于電力傳導(dǎo)。此外這個(gè)框架還包括有機(jī)分子和功能性院子，如氮，它能讓我們調(diào)整電子性質(zhì)。”

在這項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用一種溫和的碳化和活化過程，將聚合物有機(jī)框架轉(zhuǎn)化為納米碳厚片。

此項(xiàng)研究的共同第一作者John To(研究生)說道：“碳片形成的三維網(wǎng)絡(luò)具有良好的孔洞連通性和電力傳導(dǎo)性。同時(shí)，我們加入了氫氧化鉀，用以激活碳片，增加它的表面積。”

結(jié)果就是：設(shè)計(jì)碳能夠?yàn)楦鞣N不同的應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)。

To說道：“我們之所以稱之為設(shè)計(jì)碳，是因?yàn)槲覀兛梢钥刂扑幕瘜W(xué)成分，孔洞尺寸和表面積，而這是通過改變聚合物和有機(jī)連接的類型，或者是在制作過程中調(diào)節(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)的。”

例如，將處理溫度從400攝氏度提高到900攝氏度，將會(huì)導(dǎo)致孔洞體積增加10倍。

后續(xù)處理過的碳材料中，表面積重量比將高達(dá)4073平方米每克，這是一項(xiàng)新的記錄，這相當(dāng)于將3個(gè)美式足球場(chǎng)塞入到一盎司的碳里面去。而傳統(tǒng)的活性炭中每克最大表面積只有3000平方米。

Bao說道：“較大表面積對(duì)于很多應(yīng)用都具有重要作用，包括電催化、能量?jī)?chǔ)備和存儲(chǔ)二氧化碳。”

超級(jí)電容

新材料在實(shí)際應(yīng)用中究竟表現(xiàn)如何呢?斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)制作了碳涂層電極，并將它們安裝在鋰硫電池和超級(jí)電容中。

Zheng Chen是一名博士后研究員，也是本項(xiàng)目論文的合著者。他說道：“因?yàn)槌?jí)電容具有快速充放電的性能，因此廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸和　電力領(lǐng)域的能量存儲(chǔ)中。超級(jí)電容的理想材料需要具有很大的表面積，用于存儲(chǔ)電荷;也需要較高的連通性，用于傳導(dǎo)電荷;同時(shí)，還需要具備合適的空隙結(jié)構(gòu)，使得電解質(zhì)溶液中的離子可以快速運(yùn)動(dòng)。”

在實(shí)驗(yàn)中，電流被施加到裝配了設(shè)計(jì)碳電極的超級(jí)電容上。

結(jié)果是戲劇性的，較之使用了傳統(tǒng)活性炭的超級(jí)電容，新電容電導(dǎo)率提高了三倍。

Bao補(bǔ)充道：“我們還發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)碳提高了電力的傳輸率和電極的穩(wěn)定性。”

電池

同樣對(duì)鋰硫電池也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，目前，這一項(xiàng)技術(shù)仍有嚴(yán)重的缺陷：當(dāng)鋰和硫進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，他們產(chǎn)生的鋰硫分子，可能從電極泄露到電解液，從而使電池失效。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，由設(shè)計(jì)碳制成的電極可以捕獲多硫化物，從而提高電池性能。

Bao說道：“我們可以很容易地設(shè)計(jì)出具有很小空隙的電極，使得鋰離子通過碳進(jìn)行擴(kuò)散并防止硫化物的泄露。我們的設(shè)計(jì)碳制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，能夠滿足高性能電極的嚴(yán)格要求。”

相關(guān)文獻(xiàn) ：

John W. F. To, Zheng Chen, Hongbin Yao, Jiajun He, Kwanpyo Kim, Ho-Hsiu Chou, Lijia Pan,

Jennifer Wilcox, Yi Cui, Zhenan Bao. Ultrahigh Surface Area Three-Dimensional Porous Graphitic

Carbon from Conjugated Polymeric Molecular Framework. ACS Central Science, 2015; 1 (2): 68 DOI: 10.1021/acscentsci.5b00149