斯坦福大學(Stanford University)的科學家創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，也是斯坦福大學化學工程的教授。他說道：“我們已經開發出的‘設計碳’是多用途的，并且是可以進行控制的。研究表明，這種材料具有優秀的能源儲存性能，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Bao的研究，這一新的設計碳比傳統的活性炭(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，我們需要對它進行高溫燒制和化學處理。”

激活碳的過程中，會產生納米孔，從而增加了碳的表面積，使得它能催化更多的化學反應，儲存更多的電荷。

Bao補充說道，活性炭有嚴重的缺點，例如，空洞之間缺乏互聯互通，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。作為冰箱除臭劑，傳統的活性炭沒有問題，但是它不能提供電子設備和能源存儲這方面的良好性能。”

三維網絡

Bao和他的同事開發了一種新方法，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，合成了一種高質量的碳。

這個過程開始于導電水凝膠，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互通的三維框架，這個框架適合于電力傳導。此外這個框架還包括有機分子和功能性院子，如氮，它能讓我們調整電子性質。”

在這項研究中，斯坦福大學的研究團隊使用一種溫和的碳化和活化過程，將聚合物有機框架轉化為納米碳厚片。

此項研究的共同第一作者John To(研究生)說道：“碳片形成的三維網絡具有良好的孔洞連通性和電力傳導性。同時，我們加入了氫氧化鉀，用以激活碳片，增加它的表面積。”

結果就是：設計碳能夠為各種不同的應用進行微調。

To說道：“我們之所以稱之為設計碳，是因為我們可以控制它的化學成分，孔洞尺寸和表面積，而這是通過改變聚合物和有機連接的類型，或者是在制作過程中調節溫度而實現的。”

例如，將處理溫度從400攝氏度提高到900攝氏度，將會導致孔洞體積增加10倍。

后續處理過的碳材料中，表面積重量比將高達4073平方米每克，這是一項新的記錄，這相當于將3個美式足球場塞入到一盎司的碳里面去。而傳統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用都具有重要作用，包括電催化、能量儲備和存儲二氧化碳。”

超級電容

新材料在實際應用中究竟表現如何呢?斯坦福大學的團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，因此廣泛應用于運輸和　電力領域的能量存儲中。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，用于傳導電荷;同時，還需要具備合適的空隙結構，使得電解質溶液中的離子可以快速運動。”

在實驗中，電流被施加到裝配了設計碳電極的超級電容上。

結果是戲劇性的，較之使用了傳統活性炭的超級電容，新電容電導率提高了三倍。

Bao補充道：“我們還發現，設計碳提高了電力的傳輸率和電極的穩定性。”

電池

同樣對鋰硫電池也進行了相關試驗，目前，這一項技術仍有嚴重的缺陷：當鋰和硫進行反應時，他們產生的鋰硫分子，可能從電極泄露到電解液，從而使電池失效。

研究小組還發現，由設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計出具有很小空隙的電極，使得鋰離子通過碳進行擴散并防止硫化物的泄露。我們的設計碳制作簡單，價格便宜，能夠滿足高性能電極的嚴格要求。”

相關文獻 ：

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