怎样提升电动汽车性能的“超级电池”？这项成果推动电池行业发展

今天上午，凭借“富碳纳米储能材料的结构调控及其电化学行为”项目，上海理工大学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。

【神奇的碳材料】

“碳材料是非常神奇的材料。它是人类使用的最古老材料，又是当今社会发展最快的新型材料。”杨俊和教授告诉记者，湖南马王堆汉墓中，女尸埋藏地下二千多年而不腐,就是中国两千多年前使用木炭的杰作。女生感兴趣的钻石，也是由碳元素组成。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，是因为碳材料具有的结构多样性和适合于多尺度精准调控，高导电、高比表面等优点。

“过去，电池的电极材料使用的是普通石墨。现在，新型储能器件对其结构提出了更高的要求。”杨俊和说。为了找到合适的储能材料，杨俊和与团队开始了对富碳纳米储能材料的研究。“富碳”的意思是以碳材料为主但加入其它元素的材料。由于富碳材料的结构多样性等特质，导致其结构难以精准控制和定向合成，这也为杨俊和的研究发展带来了机遇与挑战。

杨俊和教授（右）与团队对富碳纳米储能材料进行研究

【为新型富碳纳米储能材料提供理论依据】

在对富碳材料进行设计和调控时，需要解决几个核心问题：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。为了达到这些要求，突破现有的瓶颈，首先要形成关于碳材料结构的精准认识，之后才能将储能材料的结构制备出来。

如何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。通过十年的持续研究，项目组取得了不少科学进展。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，证明了π-π共轭诱导和碳-氮共价键协同作用是高强度三维组装体形成的内在原因，而这种三维高强度也是富碳储能材料循环稳定性的基础。

杨俊和教授

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。这一发现被国际著名锂电池科学家、美国奥斯汀大学曼迪亚姆（Manthiram）教授评价为“发展了最接近实用化生产硫化锂/碳复合材料的途径”。

团队也提出了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。

【科研成果推动电池行业发展】

“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。”杨俊和说。记者注意到，项目研究成果除发表一百多篇高水平学术论文外，还取得有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。

怎样将科研成果走出实验室，运用到实际生产中？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。

石墨烯基电池材料中试生产

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。

从2008年组建团队，开辟碳材料研究方向以来，项目已经坚持了十多年，近10名教师、100多名学生参与其中。杨俊和告诉记者，团队也曾经遇到难以突破的瓶颈，幸好在国家及上海科技项目的持续支持下，他们踏踏实实从基础研究做起，一直坚持至今。在他看来，上海市科委对基础研究的一贯大力支持，也让上理工等地方高校的基础研究创新能力不断加强。接下来，团队在继续深化基础理论研究同时，将着力推动已有的成果不断转化成技术，应用于生产实践中，实现基础研究、技术发明、成果产业化的创新链贯通。