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北大科学家窦锦虎开发超级电容器电极材料,已用于兰博基尼史上最快超跑

日期:2021-12-30    来源:DeepTech深科技

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2021
12/30
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关键词: 超级电容 电极材料 储能材料

超级电容器,又被称为“电化学电容器”,是快速存储和释放电能的储能装置。它的充电时间通常仅几十秒甚至几毫秒,可通过大电流实现快速充放电。

但是,超级电容器的缺点也很“致命”,除成本高于主流电池,在性能方面它还面临着峰值功率密度低(最高30 kw/kg)、能量密度低(约10 wh/kg)、工作电压低(小于 3V)的挑战,核心原因在于其电极材料和电解质无法承载高压。

近几年,在国家层面,也鼓励科学家对超级电容器进行相关研究。2017 年,科技部把“基于超级电容器的大容量储能体系及应用”,正式列入国家重点基础研究发展规划(简称“973 规划”)。因此,开发更高工作电压兼容的新型电极材料和电解质,对于拓宽超级电容器及其应用尤为重要。

窦锦虎

近期,麻省理工学院(MIT)化学系的研发团队首次实现了高比电容、高导电率的无孔金属有机聚合物(MOF)——将 Ni₃BHT(苯六硫醇镍)作为新型电极材料,使超级电容器的能量密度提高 100%,解决了超级电容器电化学稳定性的问题,并对材料机理进行了充分解析,为探索高性能超级电容器提供了重要借鉴。

“这是首个无孔 MOF 作为电极材料被应用于超级电容器中,它有数千种不同的结构和成分,为探索用于非传统的高比能电容器提供了重要的材料资源。”北京大学材料科学与工程学院任特聘研究员的窦锦虎博士在谈及他在博后期间的研究成果时表示。

(来源:兰博基尼官网)

这种超级电容技术不仅是基础研究的成果,还直接应用在了兰博基尼超级跑车 SianFKP 37(意为“闪电”),由 MIT 与兰博基尼共同开发,并且于 2019 年申请了相关专利。

据了解,Sian 是兰博基尼首个使用超级电容器作为混合动力的超跑车车型,全球仅售 63 辆。有了这种超级电容器,SianFKP 37 成为兰博基尼“历史最快”的超级跑车——“最大功率 819 马力,0-100 公里加速时间仅为 2.8 秒,最高速度超过 350 公里/小时”。

首次在超级电容器使用“无孔”材料,将能量密度提高 100%

此前,活性炭、石墨烯、碳管等多孔碳材料和技术氧化物的导电材料已被广泛地应用在超级电容器的电极,但它们仍存在导电率低、比表面积小、离子导电率低等问题。

因此,想要使能量密度提高的关键指标必须确保高比表面积和高电导率。于是,在 MIT 化学系期间,窦锦虎从创新材料角度提出设想,是否可以找到全新材料用其性能克服这些缺点呢?

图丨二维配位聚合物(Ni₃BHT)展示了阳离子和阴离子在电化学电容器

据了解,导电 MOF 材料为金属和有机配体连接成网络的固体材料,是一类近几年来才被受到关注的新型材料,通常情况下其比表面积大、导电性好,是生产高性能超级电容器天然的“理想选择”。此前,尽管一些导电 MOF 材料已经被广泛地应用在电化学电容器和电极材料,但是无孔层状导电 MOF 材料却很少受到关注。

在与兰博基尼合作的过程中,窦锦虎博士先后参与发表一项关键专利,两篇学术论文。分别从材料机理解释和材料创新方面对无孔导电 MOF 材料进行了深入研究,窦锦虎博士为两篇论文的共同第一作者。

图丨相关论文

2021 年 10 月 1 日,相关论文以《双维无孔配位聚合物中的双离子插入和高体积电容》,2021 年 2 月 1 日,以《无孔导电二维配位聚合物中锂离子嵌入的高电容赝电容器》(High-Capacitance Pseudocapacitors from Li+ Ion Intercalation in Nonporous,Electrically Conductive 2D Coordination Polymers)为题发表在 Journal of the American Chemical Society。


图丨Ni3BHT 的模拟结构显示(来源:Journalof the American Chemical Society)

这种无孔 MOF—— 苯六硫醇镍(Ni₃BHT)作为新的电极材料,基于插层的赝电容储锂机制,采用六氟磷酸锂(LiPF6 )/乙腈做电解质,其电导率为 500S/m、高电容达 245F/g 的、宽电压窗口 1.7V,与课题组之前的材料相比能量密度与提高了 100%。

同时,该团队还发现多种电解离子在外部极化下很容易嵌入,例如 Li+, Na+, K+, NH₄+, NO₃˗ 和 NO₂˗ 等 。其中,阳离子嵌入机制是赝电容,阴离子嵌入机制是电容。

迄今为止,赝电容机制仅出现在二氧化钛(TiO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)和二维过渡金属碳化物(MXenes)等无机材料中。该研究中发现,Ni₃BHT 是罕见的双离子插入电极材料,为探索高性能的超级电容器提供了重要借鉴。

图丨归一化实数(c)与频率与频率的 3D 绘图表示Ni₃BHT 在 (a) 0.5 M NaNO₃ 和(b)0.5 M

窦锦虎博士认为,这种材料独特的电子性表现出和下一代信息技术、能源材料和生物传感等领域息息相关。“刚开始做研究时没想到这种基础研究的创新材料直接‘一步到位’被装到车上了,该技术在兰博基尼的成功应用,意味着我们的新型材料从实验室迈出了从 0 到 1 的第一步。”

他表示,未来该技术的研究将主要聚焦在电解液和耐高压的电极材料,把电导率再提升一些,突破 4.5V 到 5V 窗口的瓶颈。

超级电容器强大的瞬时充放电能力,在辅助能量、回收制动能量、应急电源等方面具有广泛应用前景

该研究约历时三年半,科研成果从实验室到中试阶段的迅速推进,得益于兰博基尼与 MIT 在技术研发过程中的无缝对接、全程参与。

兰博基尼对超级电容器更多地从工程化和产品角度出发,不仅是各项严格的数据指标,还要全面地考虑各种综合因素。其中,工作电压是最核心的性能,其要求范围在 2.5-4.5V(在相关专利中指标为 3.5V)。此外,还有工作窗口、质量电容、能量密度、温度、成本、稳定性等多方面的考量。

根据兰博基尼官网,“同等重量下,超级电容器的功率比锂离子电池高 3 倍左右”,也就是说,如果产生相同的功率,超级电容器的自身重量仅为锂离子电池的三分之一。

由于超级电容器具有充放电时间快、功率密度高、使用寿命长、安全系数高等诸多优势,其应用场景也很广泛。

第一,作为辅助能量与电池或其他储能的发电技术结合。例如在风力发电,当风速过高或过低时,叶片电机无法正常充放电,该超级电容器可以用于叶片变桨系统帮助平滑地输出功率,作为辅助的储能装置缓解风力发电机蓄电池因频繁充电导致的寿命问题。

第二,回收制动能量,可作为备用电源。当汽车需要加速或者重型机械刚启动起重时,可将超级电容器储存的能量高爆发释放,提升能源使用效率。

第三,在电源故障和备用电源系统之间提供能量,可作为短时的应急电源,例如心脏起伏器可在几秒内快速充放电,给予柴油发电机备用电源更多的启动时间等。

第四,作为汽车的动力电源实现快速充电,例如公交车每次在车站停靠时,可短时间提供动力,实现快速充电。

第五,可再生的能源(比如太阳能或水力)发电,具有输出功率不稳定、难以预测的特点,对并网要求高。超级电容器可作为可再生能源的补偿系统,提高电网运行的稳定性。

归国加入北大,希望自主研发具有实用价值的电子材料和器件

目前,超级电容器领域市场处于发展初期,中国的市场需求明显,其核心问题是电极产品的研发具有较高的技术壁垒,一些大容量、高功率的电容器技术长期掌握在外国相关企业。

窦锦虎认为,技术的积累非常关键。我们对超级电容器的研究起步较晚,相关技术又遭遇国外的长期封锁,研发能力和生产技术相对来说有些滞后。

他补充说道:“但随着国家相关政策的落地支持,未来高校与科研院企业联合技术攻关将成为趋势,集中各自的优势资源和技术,针对电极材料的技术难点和定点攻关。”

窦锦虎具有交叉学科的学习经历,这也无形中成为科研中的独特思路的优势。他本科为高分子材料与工程背景,博士就读于北京大学有机电子学专业,师从裴坚教授,然后在 MIT 化学系米尔恰·丁卡(Mircea Dinca)教授课题组完成了无机材料方向的博士后研究。

今年 7 月博士后研究结束后,窦锦虎选择回到母校北京大学,加入材料科学与工程学院任特聘研究员、博士生导师、独立 PI。围绕“多尺度精准调控的功能性配位聚合物材料”,就能源信息材料的关键科学问题开展相关研究。

窦锦虎认为,材料的性质及结构息息相关,微小的结构差异会显著地影响材料的宏观性质。因此,如何精确地控制材料的化学结构以及组装行为,是获得高质量、高性能材料的关键问题。

“现在,我们正在组建一支多学科高度交叉的研究团队,课题组现有材料物理背景、合成化学背景、微电子背景的博后和研究生,我们将专注于有机/无机/高分子合成化学,发展新型功能材料,解决信息与能源材料领域中的重大基础问题贡献更多的力量,期待同学们能够加入我们的团队。”他希望,在未来可发展出具有自主知识产权和实用价值的电子材料和器件。

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