中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部成会明研究员、李峰副研究员和博士研究生王大伟等与澳大利亚昆士兰大学逯高清教授合作，在国家自然科学基金委的支持下，设计并制备出一种局域石墨化三维层次多孔结构的新型多孔炭材料（Hierarchical Porous Graphitic Carbon, HPGC）。该材料在高倍率条件下同时具有很高的能量密度和功率密度，可用作超级电容器的电极材料，相关论文在德国《应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表。

 

开发在高倍率条件下具有高能量/高功率密度的多孔炭材料是能源用炭材料领域的主导研究方向之一。基于该类材料的储能器件——超级电容器，与混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关。然而，目前报道的多孔炭材料的能量密度和功率密度在高倍率条件下通常迅速衰减，很难满足电动汽车等对超级电容器高能量/高功率密度的迫切需求。

 

该研究组研究了在多孔炭电极中发生的基本电化学过程（J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8570-8575），发现多孔电极的电荷存储能力由多孔结构的离子传输性能（受孔的尺寸、形状及取向等因素影响）、多孔炭的电子导电性以及电解液性质和电解液与炭材料之间的物理化学相互作用等因素所决定。据此他们提出将不同尺度孔（大孔－中孔－微孔）以三维网络形式组装，同时尽可能获得局域石墨片层结构的电极材料设计思想。其设计原理是：局域石墨化三维层次多孔结构（HPGC结构）可充分利用大孔结构作为准体相的电解液储存池以缩短离子扩散距离，中孔结构提供快速的离子输运通道，大孔－中孔协同作用可实现电解液离子在多孔炭电极中的准体相快速扩散行为；微孔的高静电吸附容量赋予优异的电化学储能活性；局域石墨片层则能够提高材料本体的电子导电性（参见图1）。HPGC结构可有效增加离子可利用的电化学活性表面积和电化学活性，并显著降低大电流导致的电位极化，从而获得在高倍率条件下高能量/高功率密度的电化学能量存储与转换能力。

 

HPGC结构的诸多特点，使其制备十分困难。为此科研人员提出了采用液相无机模板方法，制备出具有上述大孔－中孔－微孔三维层次孔结构和局域石墨片层结构的HPGC材料。实验结果证明，HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加优异的高倍率电化学能量存储与转换能力。优异的高倍率储能性能在水系和有机系电解液中均能实现，该性能超过美国提出的PNGV（(the Partnership for a New Generation of Vehicle）功率指标（参见图2）。如果进一步提高电解液的工作电压，在保持优于PNGV功率密度指标的同时，还可望实现更高的能量密度。这些结果表明局域石墨化三维层次多孔结构炭材料有望成为电动汽车超级电容器用优良的电极材料。

 

此外，上述液相无机模板方法还是一种普适的多孔材料合成方法。通过调节模板材料的物理化学性质，能够获得具有不同结构和理化性质如带磁性的层次孔炭材料及炭基复合材料，这些材料在磁性分离、催化等清洁能源与环境保护领域有着广阔的应用前景。（来源：中国科学院金属研究所）