“充电5分钟，通话2小时”，这句耳熟能详的广告语道出了人们对于快充、甚至秒充电池的迫切需求。近日，我室朱美芳教授-廖耀祖教授合作团队和德国柏林工业大学阿纳托马斯（Arne Thomas) 教授课题组以创新方法制备新型电极材料，让兼具快速充放电和大储能量的超级电容器成为可能，相关研究成果发表在国际知名学术期刊《先进材料》（Advanced Materials 2018, 30, 1705710》（最新影响因子19.791）。东华大学系该论文第一完成单位，廖耀祖教授为第一作者并与阿纳托马斯教授为共同通讯作者。
图1.《先进材料》官网发表研究论文
曾有专家预计，全球能源矿产资源仅够支撑不到100年，我国的石油只能支撑国内消耗30年，煤炭最多能支撑100年，以化石燃料为主的现有能源结构导致全球面临严重的能源危机，亟需寻找可替代的能源存储与转换方式。超级电容器作为一种新型的绿色储能方式，与传统电池相比，具有充放电速度快、绿色无污染、能量密度大以及循环稳定性好等优点，一经问世，便受到人们的广泛关注。
廖耀祖教授告诉记者，要提高超级电容器的综合性能，关键在于寻找合适的电极材料，超级电容器的储能机制分为双电层和赝电容储能两种，对应的电极材料为碳材料和导电聚合物。“一般的导电聚合物是线性的，大电流传输过程中容易膨胀分解，而多孔碳材料虽然稳定性较好但是电能存储量有限，我们做的事情就是要研制高比电容、高倍率和高循环稳定性的电极材料，最大限度地发挥两种储能机制。”
图2.氨基蒽醌多孔共轭聚合物设计及其超级电容器组装
经过反复实验，科研团队提出Buchwald-Hartwig交叉偶联方法制备主链含氮、侧基含氧（N、O含量高达20%）的氨基蒽醌多孔共轭聚合物，采用“化学编织”方式设计这种聚合物分子网络结构，从而优化材料的氧化还原活性，在保证快速充放电的同时提高电极的可存储电量；利用多孔共轭聚合物骨架自身所具备的孔道结构，促进电解质的传输，避免电极材料的溶胀和收缩。实验测算结果显示，研制的三电极超级电容器在1A/g低电流密度下比电容高达576F/g，10A/g高电流密度下比电容仍然维持410F/g，循环使用6000次后可仍然保持85%起始电容，表现出优异的倍率和循环性能；进而组装成非对称双电极超级电容器的操作窗口宽，功率和能量密度分别高达1300W/kg和60Wh/kg，循环2000次性能无衰减。
据悉，该研究工作为电化学能源存储有机多孔材料的理性设计提供了新思路。随着电极材料性能的不断研发和完善，主打绿色环保、快充和高效可循环特色牌的超级电容器将成为未来能源市场的“香饽饽”，超级电容器也必将从实验室走入寻常百姓家，在新能源汽车、家用电器、智能可穿戴设备、航空航天、轨道交通以及军事等领域都有着巨大的发展潜力和应用前景。