隨著電動(dòng)汽車、移動(dòng)電子設(shè)備等技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)新型大容量高功率的電儲(chǔ)能器件成為當(dāng)務(wù)之急。目前，主流的電儲(chǔ)能器件為電池和電容器，他們分別具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)。然而，這兩種儲(chǔ)能器件均不能同時(shí)滿足新設(shè)備對高功率和高能量的需求。為解決這一問題，在本世紀(jì)初科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種新型的儲(chǔ)能器件——復(fù)合性型電容器（hybrid supercapacitor， HSC）。HSC通常由電容性的正極和嵌鋰式負(fù)極組成，這能夠有效地將電池和電容器的優(yōu)勢結(jié)合起來，使其同時(shí)具有較高能量密度和高功率密度。其中，正極材料往往是限制HSC性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。目前，對于正極材料的研究熱點(diǎn)主要集中在一些碳基材料上，例如活性炭，三維石墨烯等。然而，受到儲(chǔ)能機(jī)理等因素的限制，這類材料的性能提高受到了一定的限制。
圖1 復(fù)合式電容器的工作原理示意圖
近日，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授課題組碩士研究生高毅等人獨(dú)辟蹊徑，創(chuàng)新地將新型納米導(dǎo)電聚合物作為正極材料引入到HSC儲(chǔ)能體系中，為HSC正極材料的研發(fā)提供了新的解決方案。研究人員采用化學(xué)氧化法將苯胺與2-氨基對苯二甲酸共聚，通過調(diào)整兩種單體的比例獲得了具有不同微觀形貌和電化學(xué)性能的共聚物材料。研究發(fā)現(xiàn)聚苯胺分子鏈上的羧基能夠增強(qiáng)主鏈上電子的離域效應(yīng)，同時(shí)提高了分子鏈間的相互作用力，從而使得材料的電化學(xué)性能得到極大改善。另一方面，特殊的一維納米結(jié)構(gòu)也有助于材料電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升。在半電池測試中，這種材料的最大放電電流達(dá)到50A/g，電化學(xué)性能優(yōu)于目前報(bào)道的絕大多數(shù)碳基材料。以該材料為正極，中間相碳微球?yàn)樨?fù)極組成的HSC儲(chǔ)能器件的能量密度達(dá)到153.9 Wh/kg，換用鈦酸鋰作為負(fù)極材料，在26.1 Wh/kg的能量密度下相應(yīng)的儲(chǔ)能器件的功率密度達(dá)到了3011.5 W/kg，其能量密度和功率密度與目前報(bào)道的電池和電容器的性能相當(dāng)。在未來的研究計(jì)劃中，科研人員設(shè)想將這種材料與其他無機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合，其性能將會(huì)有巨大的提升空間。
圖2 共聚物與文獻(xiàn)報(bào)道碳基材料的性能對比圖
此外，在研究中科研人員在傳統(tǒng)軟模板法的基礎(chǔ)上提出了一種新型的聚苯胺納米棒的制備工藝。他們將兩種單體在反應(yīng)初期所形成的二聚體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)酸作為納米棒形成的模板，通過調(diào)控兩種單體的比例，來調(diào)控材料的微觀形貌，使得苯胺和2-氨基對苯二甲酸即作為聚合的單體，有起到納米棒成型模板的作用，避免了在分子鏈上引入分子量較高的有機(jī)酸或其他乳化劑分子，這對提高材料的容量密度有一定的幫助。這項(xiàng)創(chuàng)新為今后的聚合物納米材料的研究打開了思路。目前，相應(yīng)的研究成果已經(jīng)發(fā)表在RSC advance雜志上，DOI號：10.1039/C6RA27900G（http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/RA/C6RA27900G）
圖3 共聚物納米棒的成型原理示意圖
