如今，為了應(yīng)對(duì)氣候變化和響應(yīng)國家政策，社會(huì)各行各業(yè)都在積極落實(shí)生產(chǎn)生活的低碳減排。其中，降低交通領(lǐng)域和電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的碳排放量尤為重要。

(相關(guān)資料圖)

而大力發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，比如常見的鋰離子電池或超級(jí)電容器，是推進(jìn)上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳減排的一條重要路徑。

目前，商業(yè)可得的鋰離子電池和超級(jí)電容器，有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。前者的能量密度較高，功率密度較低，因此雖然可以儲(chǔ)存大量的能量，但充放電非常耗費(fèi)時(shí)間。后者則相反，雖然能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成充放電，但其所能儲(chǔ)存的能量卻比鋰離子電池少得多。

因此，合成同時(shí)具備高容量密度和高功率密度的電化學(xué)儲(chǔ)能材料是該領(lǐng)域的眾多科研人員孜孜以求的目標(biāo)。

近期，來自美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，合成了一類有機(jī)的稠合芳香族材料，在一小時(shí)左右的充/放電條件下具有 310mAhg-1 的容量，并且在短至 33 秒的充/放電時(shí)間內(nèi)仍顯示出高達(dá) 220mAhg-1 的容量，達(dá)到電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域追求的目標(biāo)性能。

同時(shí)，由于組成該材料的碳、氫、氧、氮元素在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，因此預(yù)測能夠以較低的成本進(jìn)行生產(chǎn)，有望解決該領(lǐng)域一直存在的高性能“材料荒”的問題。

具體來說，在相同的充放電速度下，該材料的儲(chǔ)存容量，是現(xiàn)在流行的鋰離子電池正極材料的兩倍左右；在相同的儲(chǔ)存容量下，該材料的充放電時(shí)間是鋰離子電池正極材料的 1/10 至 1/100。

圖丨高密度、高容量電化學(xué)儲(chǔ)能（來源：Joule）

2023 年 5 月 17 日，相關(guān)論文以《富含氫鍵的稠合芳烴中的高密度、高容量電化學(xué)儲(chǔ)能》（High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics）為題在 Joule 上發(fā)表[1]。

圖丨相關(guān)論文（來源：Joule）

麻省理工學(xué)院博士研究生陳天陽和哈里什·班達(dá)（Harish Banda）博士（現(xiàn)為美國德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校化學(xué)助理教授）為該論文的共同第一作者，麻省理工學(xué)院米爾恰·丁卡（Mircea Dinc?）教授擔(dān)任論文的通訊作者。

圖丨團(tuán)隊(duì)合照：左為陳天陽博士；右為 Mircea Dinc? 教授（來源：陳天陽）

據(jù)陳天陽介紹，其所在的實(shí)驗(yàn)室長期從事電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究。此前，團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)在超級(jí)電容器材料的合成與應(yīng)用領(lǐng)域深耕多年。

他表示，從發(fā)現(xiàn)該材料到最終確定材料的性能，中間經(jīng)歷了許多波折。探明材料的結(jié)構(gòu)，是他們面臨的首要挑戰(zhàn)。

“我們合成出了材料，但起初并不清楚它的結(jié)構(gòu)，這就很難對(duì)它進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。”陳天陽說。

為了驗(yàn)證該材料的結(jié)構(gòu)，他曾先后三次對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了假設(shè)，但無一例外最后都被實(shí)驗(yàn)證實(shí)是錯(cuò)誤的。最后，他和團(tuán)隊(duì)成員借助三維電子衍射的方法，測出了該材料的單晶結(jié)構(gòu)。由于陳天陽所在的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成了一套相對(duì)成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能測試的研究步驟，所以之后的研究就順利許多。

與此同時(shí)，他也表示：“該材料的結(jié)構(gòu)和我們想象的完全不一樣，我覺得這是在科研上得到的一個(gè)驚喜。當(dāng)你在孜孜不倦地追求一個(gè)科學(xué)真理或科學(xué)問題時(shí)，有可能會(huì)犯各種各樣的錯(cuò)誤，但只要堅(jiān)持下去，一定會(huì)得到想要的結(jié)果，甚至?xí)哂谧约旱钠谕！?

研究過程中，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了其他不曾預(yù)想到的結(jié)果。比如，該材料的儲(chǔ)能性能會(huì)對(duì)電解質(zhì)的 pH 值產(chǎn)生很大的依賴性，而這一點(diǎn)并不常見。

陳天陽解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)，只有在低 pH 值或高 pH 值的條件下，材料才能發(fā)揮出最優(yōu)異的性能。不過，需要說明的是，即便是在中性的電解質(zhì)里，材料的儲(chǔ)能容量也已經(jīng)超過了現(xiàn)有鋰離子電池材料。”

基于該材料的性能，其在未來有望于兩個(gè)方面得到應(yīng)用。

第一，與現(xiàn)有的鋰離子電池相結(jié)合，應(yīng)用于一些需要快速充電的場景。

第二，該材料使用水系的電解質(zhì)，不會(huì)發(fā)生自燃，從安全性角度來看，能夠被用于家用的蓄電池系統(tǒng)。

據(jù)了解，目前該材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的批量化制備。不僅如此，陳天陽所在的實(shí)驗(yàn)室也正在聯(lián)合工業(yè)界的合作伙伴，嘗試在工業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，并已完成了相關(guān)專利的申請(qǐng)。

關(guān)于后續(xù)的研究計(jì)劃，該團(tuán)隊(duì)也正在緊鑼密鼓地進(jìn)行中。一方面，將材料應(yīng)用到鋰離子電池中，實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)存相同能量的條件下，比現(xiàn)在商業(yè)可得的鋰離子電池快 5 至 10 倍的充放電速度。目前，相關(guān)研究已基本完成，論文成果即將被投稿。另一方面，他們也打算采用鋰之外的金屬進(jìn)行電池的制備，比如鈉金屬，并希望能夠制備出與鋰離子電池性能相同的鈉離子電池。

參考資料：

1. T., Chen, H., Banda, L., Yang. et al. High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics. Joule 7, 5 , 986-1002（2023）. https://doi.org/10.1016/j. joule .2023.03.011

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