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)秀的能源儲存性能，能夠使得鋰硫電池和超級電容具有高性能。”

　　圖片說明：碳設(shè)計（designer carbon）能夠提高能量儲備性能。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，我們需要對它進(jìn)行高溫?zé)坪突瘜W(xué)處理?！?/p>

　　激活碳的過程中，會產(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)，儲存更多的電荷。

　　Bao補(bǔ)充說道，活性炭有嚴(yán)重的缺點，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互聯(lián)互通的三維框架，這個框架適合于電力傳導(dǎo)。此外這個框架還包括有機(jī)分子和功能性院子，如氮，它能讓我們調(diào)整電子性質(zhì)。”

　　在這項研究中，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊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，我們加入了氫氧化鉀，用以激活碳片，增加它的表面積?！?/p>

　　結(jié)果就是：設(shè)計碳能夠為各種不同的應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)。

　　To說道：“我們之所以稱之為設(shè)計碳，是因為我們可以控制它的化學(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)溫度而實現(xiàn)的。”

　　例如，將處理溫度從400攝氏度提高到900攝氏度，將會導(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，這是一項新的記錄，這相當(dāng)于將3個美式足球場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：“較大表面積對于很多應(yīng)用都具有重要作用，包括電催化、能量儲備和存儲二氧化碳?！?/p>

　　超級電容

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

　　Zheng Chen是一名博士后研究員，也是本項目論文的合著者。他說道：“因為超級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)域的能量存儲中。超級電容的理想材料需要具有很大的表面積，用于存儲電荷;也需要較高的連通性，用于傳導(dǎo)電荷;同時，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?！?/p>

　　在實驗中，電流被施加到裝配了設(shè)計碳電極的超級電容上。

　　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)計碳提高了電力的傳輸率和電極的穩(wěn)定性。”

　　電池

　　同樣對鋰硫電池也進(jìn)行了相關(guān)試驗，目前，這一項技術(shù)仍有嚴(yán)重的缺陷：當(dāng)鋰和硫進(jìn)行反應(yīng)時，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)計碳制作簡單，價格便宜，能夠滿足高性能電極的嚴(yán)格要求?！?/p>

　　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