“设计碳”诞生 电池储能显著提高

斯坦福大学(Stanford University)的科学家创造了一种新型碳材料，它可以显著提高电池能量存储的性能。这一研究成果作为封面文章发表在了ACS Central Science上。

Zhenan Bao是这项研究的主要作者，也是斯坦福大学化学工程的教授。他说道：“我们已经开发出的‘设计碳’是多用途的，并且是可以进行控制的。研究表明，这种材料具有优秀的能源储存性能，能够使得锂硫电池和超级电容具有高性能。”

根据Bao的研究，这一新的设计碳比传统的活性炭(广泛用于水过滤器和空气除臭剂的廉价材料)具有更好的性能。

Bao说道：“许多活性炭是由椰子壳做成的，为了将椰子壳变成活性炭，我们需要对它进行高温烧制和化学处理。”

激活碳的过程中，会产生纳米孔，从而增加了碳的表面积，使得它能催化更多的化学反应，储存更多的电荷。

Bao补充说道，活性炭有严重的缺点，例如，空洞之间缺乏互联互通，使得电力传输能力受到限制。

Bao说：“活性炭无法控制孔洞间的连通性。同样，从椰子壳制作的活性炭也含有大量的杂质。作为冰箱除臭剂，传统的活性炭没有问题，但是它不能提供电子设备和能源存储这方面的良好性能。”

三维网络

Bao和他的同事开发了一种新方法，他们使用成本相对便宜且无污染的化合物和聚合物而不是椰子壳，合成了一种高质量的碳。

这个过程开始于导电水凝胶，一种海绵状纹理的水基聚合物。

Bao说道：“水凝胶聚合物形成一个互联互通的三维框架，这个框架适合于电力传导。此外这个框架还包括有机分子和功能性院子，如氮，它能让我们调整电子性质。”

在这项研究中，斯坦福大学的研究团队使用一种温和的碳化和活化过程，将聚合物有机框架转化为纳米碳厚片。

此项研究的共同第一作者John To(研究生)说道：“碳片形成的三维网络具有良好的孔洞连通性和电力传导性。同时，我们加入了氢氧化钾，用以激活碳片，增加它的表面积。”

结果就是：设计碳能够为各种不同的应用进行微调。

To说道：“我们之所以称之为设计碳，是因为我们可以控制它的化学成分，孔洞尺寸和表面积，而这是通过改变聚合物和有机连接的类型，或者是在制作过程中调节温度而实现的。”

例如，将处理温度从400摄氏度提高到900摄氏度，将会导致孔洞体积增加10倍。

后续处理过的碳材料中，表面积重量比将高达4073平方米每克，这是一项新的记录，这相当于将3个美式足球场塞入到一盎司的碳里面去。而传统的活性炭中每克最大表面积只有3000平方米。

Bao说道：“较大表面积对于很多应用都具有重要作用，包括电催化、能量储备和存储二氧化碳。”

超级电容

新材料在实际应用中究竟表现如何呢?斯坦福大学的团队制作了碳涂层电极，并将它们安装在锂硫电池和超级电容中。

Zheng Chen是一名博士后研究员，也是本项目论文的合著者。他说道：“因为超级电容具有快速充放电的性能，因此广泛应用于运输和　电力领域的能量存储中。超级电容的理想材料需要具有很大的表面积，用于存储电荷;也需要较高的连通性，用于传导电荷;同时，还需要具备合适的空隙结构，使得电解质溶液中的离子可以快速运动。”

在实验中，电流被施加到装配了设计碳电极的超级电容上。

结果是戏剧性的，较之使用了传统活性炭的超级电容，新电容电导率提高了三倍。

Bao补充道：“我们还发现，设计碳提高了电力的传输率和电极的稳定性。”

电池

同样对锂硫电池也进行了相关试验，目前，这一项技术仍有严重的缺陷：当锂和硫进行反应时，他们产生的锂硫分子，可能从电极泄露到电解液，从而使电池失效。

研究小组还发现，由设计碳制成的电极可以捕获多硫化物，从而提高电池性能。

Bao说道：“我们可以很容易地设计出具有很小空隙的电极，使得锂离子通过碳进行扩散并防止硫化物的泄露。我们的设计碳制作简单，价格便宜，能够满足高性能电极的严格要求。”