为更长续航“超级电池”打基础

随着新能源电动汽车的普及，续航里程已成为阻碍电动汽车发展的问题之一。如何制造出续航里程长、循环次数多又足够安全的“超级电池”？

在今年的上海市科技奖励大会上，凭借“富碳纳米储能材料的结构调控及其电化学行为”项目，杨俊和团队获得了上海市自然科学一等奖，为高效储能器件的设计与制备提供了理论支撑。

攻关性能优异负极材料

上海理工大学材料科学与工程学院院长杨俊和教授告诉记者，近30年来，对于碳纳米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接连让相关科学家获得诺贝尔奖，新型碳材料的研究已经成为当下热门的前沿科研领域。

碳材料和电池又有什么关系？原来，碳材料是电化学储能器件的关键材料。从最早的干电池，到正在快速发展的锂离子电池、超级电容器和其他新型储能器件，无不把碳作为其关键材料之一。之所以如此，是因为碳材料的结构具有多样性，适合于多尺度精准调控，而且具备高导电、高比表面等优点。为了找到合适的储能材料，上理工团队开始了对富碳纳米储能材料的研究。由于富碳材料结构多样，难以精准控制和定向合成，对研究发展带来了挑战。

在对富碳材料进行设计和调控时，需要解决几个核心问题：如何延长电池的续航里程，增加电池的循环次数，增强电池的安全性？为了解决储能材料的这几个核心问题，杨俊和教授带领团队就此展开攻关，取得了不少进展。比如，电化学电池的电极材料中，需要有一定的“孔”，能在充电时让离子通过。这些孔应该是大是小，是圆是方？孔如何有序、有尺度地分布？对此，杨俊和团队提出了π-π共轭诱导和原子掺杂策略。此外，团队还阐明孔结构与表面化学对硫稳定作用的基本规律，发展基于纳米限域和化学键合的合成策略。这解决了硫的导电性差、多硫化物在电解质中的溶解等关键问题，开辟了高性能安全锂硫电池的新途径。

团队提出碳与活性组元维度匹配复合新思路及性能优化策略，制备出性能优异的电池负极材料。由此，他们为新型富碳纳米复合储能材料的制备提供了一套完整的理论，促进了该类材料在储能电池和超级电容器领域的应用研究和相关学科的发展。

一开始就从产业化思考

“研究一开始，我们就从能产业化的大批量制备方向来思考其理论问题，这样才能让基础科研成果真正投入应用。”记者注意到，项目研究成果除发表100多篇高水平学术论文外，还取得28项中国发明专利和3项国际专利。一项基础研究成果，为何有这么多授权专利？杨俊和表示，团队在做基础科学研究的同时，始终没有忘记目标是推动电池行业的发展。为了解决行业里的共性问题，他们在基础研究科研攻关的同时，取得了一系列技术发明突破。这些专利也将变成电池制造领域的相关技术。

目前，相关项目正在推动产业化，团队与中国新纶科技等国内外企业开展了合作，部分核心技术也是上海市石墨烯技术产业平台首批入驻项目。据了解，一批石墨烯基电池材料已在中试阶段，这些材料将用于超级电容器、锂硫电池中，并运用在工业、生活等领域的方方面面。

锂硫电池已成为新一代动力电源发展中的重点，锂硫电池未来将代替锂离子电池，这是国内普遍达成的共识。上理工这一研究成果有望解决电池材料问题，进一步推动国内锂硫电池、超级电容器的产业化。值得一提的是，这也是我国科研团队在基础理论研究取得的一大进展。