阮殿波, 喬志軍, 王宇作, 陳雪龍, 屠建飛

2020年先進(jìn)能源材料與器件國(guó)際大會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議綜述

阮殿波1, 喬志軍2, 王宇作2, 陳雪龍2, 屠建飛1

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 2.寧波中車新能源科技有限公司器件所, 浙江 寧波 315112）

來自國(guó)內(nèi)外150多所高校和企業(yè)的近400名專家學(xué)者和研究生代表出席了本次會(huì)議. 會(huì)議圍繞新能源的先進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能材料與器件展開研討, 所涉及的儲(chǔ)能體系包括了鋰離子電池、鋰硫電池、超級(jí)電容器及新型二次電池等. 本次會(huì)議為推動(dòng)先進(jìn)能源材料與器件領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)良好的學(xué)術(shù)交流平臺(tái), 大大提升了研發(fā)人員對(duì)新能源行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)、市場(chǎng)需求以及前沿工藝技術(shù)的深層次了解, 對(duì)于推動(dòng)基礎(chǔ)研究成果和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的緊密結(jié)合起到了積極的作用.

電化學(xué)儲(chǔ)能; 鋰離子電池; 鋰硫電池; 超級(jí)電容器; 新型二次電池; 國(guó)際會(huì)議

能源的轉(zhuǎn)型與發(fā)展是科技進(jìn)步和社會(huì)前進(jìn)的主要驅(qū)動(dòng)力, 而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在其中扮演著舉足輕重的角色. 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)可將新能源產(chǎn)出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行存儲(chǔ), 并在需要的時(shí)候再以電能的形式穩(wěn)定輸出, 從而真正在時(shí)間和空間上解放新能源的利用形式, 使未來的用電網(wǎng)更加智能化. 目前, 經(jīng)過2019年新能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和加快推進(jìn), “十四五”規(guī)劃已對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件的性能提出了更高的要求, 這就需要對(duì)各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行更為深入的探索, 研制更高性能的儲(chǔ)能材料, 建立先進(jìn)的電化學(xué)儲(chǔ)能體系, 開發(fā)下一代應(yīng)用技術(shù).

2020年先進(jìn)能源材料與器件國(guó)際大會(huì)暨寧波市第十一屆學(xué)術(shù)大會(huì)新能源分會(huì)于12月5—6日在寧波召開. 會(huì)議由寧波大學(xué)、寧波市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)和鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)(平臺(tái))主辦, 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、寧波正鋰新能源科技有限公司承辦, 寧波諾丁漢大學(xué)、寧波中車新能源科技有限公司協(xié)辦. 本屆會(huì)議吸引了來自全國(guó)各地的專家學(xué)者、科研人員、工程技術(shù)人員、企業(yè)代表共計(jì)150多家單位的400余人參加.

開幕式由鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)(平臺(tái))負(fù)責(zé)人王賢江主持; 大會(huì)主席寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院特聘院長(zhǎng)阮殿波教授回顧了辦會(huì)初衷及其發(fā)展歷程; 寧波大學(xué)副校長(zhǎng)姚菊明教授介紹了寧波大學(xué)的基本情況以及學(xué)校在能源材料研究上的專業(yè)布局; 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所張瑞麗副所長(zhǎng)也對(duì)本次會(huì)議的順利召開表示了祝賀. 此次會(huì)議圍繞先進(jìn)儲(chǔ)能材料與器件的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用進(jìn)展展開研討, 所涉及的儲(chǔ)能體系包括了鋰離子電池、鋰硫電池、超級(jí)電容器和新型二次電池等. 下面圍繞這些專題將會(huì)議的一些主要研究進(jìn)展作一綜述.

1 會(huì)議概述

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池是一種“搖椅型”的可充電電池, 在充放電過程中, 鋰離子在正、負(fù)極之間來回遷移, 儲(chǔ)能密度可以達(dá)到260Wh·kg-1, 被廣泛地應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域. 近年來, 隨著市場(chǎng)的快速發(fā)展, 鋰離子電池的儲(chǔ)能密度已難以滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的要求. 同時(shí), 鋰離子電池在低溫環(huán)境下容量快速衰減也制約了電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣. 因此, 開發(fā)高能量密度(500Wh·kg-1)的鋰離子電池和低溫鋰離子電池已成為各大科研機(jī)構(gòu)與相關(guān)企業(yè)的重要研發(fā)目標(biāo), 且研發(fā)方向集中于電極材料開發(fā)、儲(chǔ)能體系設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新等方面.

在提高鋰離子電池能量密度方面, 高性能的電極材料是研究熱點(diǎn). 硅作為下一代鋰離子電池的理想負(fù)極材料, 也是本次會(huì)議的研討熱點(diǎn)之一. 硅負(fù)極的理論比容量可以達(dá)到4200mAh·g-1, 遠(yuǎn)高于目前商業(yè)化的石墨負(fù)極(372mAh·g-1). 但硅在鋰離子的脫嵌過程中, 體積變化率接近400%, 并引發(fā)一系列衍生反應(yīng), 造成容量迅速衰減, 難以實(shí)際應(yīng)用. 針對(duì)該問題, 學(xué)者們?cè)诠璧男蚊部刂?、?fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面做了大量的研究工作. 劉兆平研究員提出了將硅與碳材料進(jìn)行復(fù)合, 對(duì)硅進(jìn)行“減負(fù)”的觀點(diǎn), 通過噴霧干燥技術(shù)研發(fā)了新型的石墨烯基硅碳復(fù)合材料, 探討了工藝對(duì)性能的影響. 結(jié)果表明, 石墨烯可以搭建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò), 增加硅的電導(dǎo)率, 同時(shí)抑制體積膨脹, 從而提高其循環(huán)性能. 目前, 其主導(dǎo)研制的相關(guān)硅碳復(fù)合材料已實(shí)現(xiàn)了中試化量產(chǎn), 并成功應(yīng)用于軟包鋰離子電池, 能量密度可以達(dá)到400Wh·kg-1 [1]. 智林杰研究員制備了系列不同維度的硅碳模型材料, 對(duì)硅碳負(fù)極的界面工程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究. 根據(jù)硅和碳的尺寸變化, 建立了所涉及維度的設(shè)計(jì)原則, 闡述了不同的協(xié)同效應(yīng)和潛在的性能增強(qiáng)效應(yīng), 為硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了良好的理論指導(dǎo). 同時(shí)也指出一維碳和二維碳更需要在復(fù)合物中引入隨機(jī)空間, 以適應(yīng)硅的體積變化. 相比之下, 為了適應(yīng)硅體積的變化, 零維碳通常需要額外的復(fù)雜設(shè)計(jì), 在硅和碳之間保留內(nèi)置空隙. 一維硅和一維碳在增強(qiáng)鋰存儲(chǔ)性能方面具有巨大潛力, 這主要是因?yàn)橐痪S硅與一維碳的尺寸匹配良好, 有助于解決體積變化, 穩(wěn)定界面以及加速電子/離子遷移等[2]. 深圳貝特瑞新材料股份有限公司的龐春雷博士則從產(chǎn)業(yè)化的角度闡述了產(chǎn)業(yè)界在硅碳負(fù)極材料和氧化亞硅負(fù)極方面的研發(fā)進(jìn)展. 針對(duì)不同尺寸硅納米顆粒的電化學(xué)性能進(jìn)行了比較分析, 建立了硅負(fù)極尺寸與電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系, 指出為了保證循環(huán)穩(wěn)定性, 硅納米顆粒的尺寸應(yīng)小于150nm. 最后, 指出通過對(duì)電解液和粘結(jié)劑進(jìn)行改性, 可以有效提高硅負(fù)極的循環(huán)性能, 但目前尚未有成熟的相關(guān)產(chǎn)品可以同時(shí)兼顧成本、循環(huán)穩(wěn)定性、低溫性能和倍率性能. 此外, 在提高傳統(tǒng)鋰離子電池插層化合物電極材料的性能方面, 吳明鉑教授、舒杰教授和儲(chǔ)偉教授等也強(qiáng)調(diào)了缺陷和有效晶面層間距對(duì)儲(chǔ)鋰性能有著重要作用. 通過引入缺陷、增加層間距等策略, 可引入更多的儲(chǔ)鋰位點(diǎn), 在提高儲(chǔ)鋰密度的同時(shí)達(dá)到更高的功率密度[3-5].

在提高鋰離子電池的低溫性能方面, 提高電極材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué), 解決電解液在低溫下離子電導(dǎo)率低、黏度高及結(jié)冰等問題是關(guān)鍵. 夏永姚教授等針對(duì)上述問題, 利用乙酸乙酯凝固點(diǎn)低的特性, 開發(fā)了一種新型的低溫有機(jī)電解液, 其在-70℃的超低溫下, 導(dǎo)電率仍可以達(dá)到0.2mS·cm-1. 同時(shí), 夏教授研究了基于插層化合物的鋰離子電池在該電解液下的低溫儲(chǔ)能行為, 指出鋰離子的去溶劑化是插層反應(yīng)在低溫條件下的主要速控步驟. 由于鋰離子的緩慢去溶劑化, 即使插層化合物采用這種超低溫電解液, 也無法在超低溫下工作. 為了減小鋰離子去溶劑化過程對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響, 采用具有表面儲(chǔ)能特性的新型有機(jī)材料作為電極, 構(gòu)筑了超低溫鋰離子電池, 其在-70℃的條件下仍可以保持室溫時(shí)儲(chǔ)能密度的70%. 同時(shí), 采用表面具有贗電容效應(yīng)的鎳基普魯士藍(lán)作為正極材料, 可以促進(jìn)鋰離子的去溶劑化過程, 達(dá)到較高的低溫性能. 夏教授的研究結(jié)果為低溫鋰離子電池的設(shè)計(jì)提供了良好的理論指導(dǎo)[6].

1.2 鋰硫電池

鋰硫電池是近年來備受關(guān)注的電化學(xué)儲(chǔ)能器件, 其采用金屬鋰作為負(fù)極, 單質(zhì)硫(或含硫化合物)作為正極, 理論能量密度(600Wh·kg-1)遠(yuǎn)高于鋰離子電池. 此外, 硫自然資源豐富、價(jià)格低廉, 可以進(jìn)一步降低電池的生產(chǎn)成本. 然而, 鋰硫電池距離實(shí)用化仍有較大距離. 首先, 對(duì)于硫正極, 單質(zhì)硫本身是電子和離子的絕緣體, 電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性差. 同時(shí), 硫在和鋰離子的反應(yīng)過程中會(huì)形成可溶于電解液的多硫化物, 導(dǎo)致嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”, 從而惡化循環(huán)性能. 其次, 對(duì)于鋰負(fù)極, 金屬鋰在循環(huán)過程中會(huì)生成鋰枝晶, 導(dǎo)致“死鋰”、微短路和熱失控等衍生問題, 從而產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患. 在本次會(huì)議中, 與會(huì)的專家介紹了在解決上述問題方面開展的相關(guān)研究工作.

在硫正極方面, 采用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高單質(zhì)硫的電導(dǎo)率, 限制多硫化物的溶解、穿梭是有效的解決方法. 楊全紅教授強(qiáng)調(diào)過渡金屬化合物對(duì)硫的轉(zhuǎn)換反應(yīng)過程具有催化作用, 是理想的復(fù)合材料, 并分析了不同過渡金屬化合物(氮化物、氧化物、硫化物)對(duì)硫的催化作用, 建立了相應(yīng)的催化作用機(jī)制及提高策略, 提出了過渡金屬化合物的共性選取原則: (1)催化劑需要對(duì)多硫化物具有強(qiáng)烈的吸附作用; (2)催化劑需要具有良好的導(dǎo)電子能力; (3)催化劑需要對(duì)單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)換反應(yīng)具有較高的催化活性. 最后, 指出目前過渡金屬化合物對(duì)硫的轉(zhuǎn)換反應(yīng)只具備單向的催化能力, 即只能催化氧化反應(yīng)或還原反應(yīng). 基于此, 進(jìn)一步介紹了課題組解決該問題的最新進(jìn)展, 即通過構(gòu)建金屬氧化物與金屬硫化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu), 獲得雙向催化劑. 結(jié)果表明, 雙向催化劑可以有效提高硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性, 即使單質(zhì)硫的面載量高達(dá)3.9mg·cm-2[7-8].

在鋰負(fù)極方面, 對(duì)金屬鋰的表面進(jìn)行修飾, 或?qū)嚦练e在具有多孔結(jié)構(gòu)的基底材料中, 可有效抑制鋰枝晶的產(chǎn)生. 張浩研究員介紹了其在金屬鋰表面修飾方面的工作. 開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的浸涂技術(shù),在金屬鋰的表面成功構(gòu)建了一層堅(jiān)固的聚多巴胺/銅離子復(fù)合涂層, 并分析了其電化學(xué)行為. 結(jié)果表明, 該涂層可對(duì)鋰離子的沉積反應(yīng)進(jìn)行良好的調(diào)控和引導(dǎo). 在沉積過程中, 鋰離子和銅離子一起形成潤(rùn)滑的表面層, 促進(jìn)鋰離子的均勻擴(kuò)散并穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜. 基于該涂層的鋰負(fù)極實(shí)現(xiàn)了較高的庫倫效率, 且在650次循環(huán)中沒有產(chǎn)生鋰枝晶[9]. 何海勇研究員介紹了其在基底材料的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究工作. 強(qiáng)調(diào)如何避免金屬鋰沉積在基底材料的框架頂部是構(gòu)筑高性能鋰負(fù)極的關(guān)鍵. 基于此, 以聚苯乙烯作為模板, 在銅箔上構(gòu)建了三維的二氧化鈦周期框架. 結(jié)果表明, 二氧化鈦較低的電導(dǎo)率促使鋰更傾向于在銅箔表面沉積. 鋰在沉積過程中, 逐步往上填充整個(gè)基底框架, 而不會(huì)積聚在表面, 從而保證了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性. 同時(shí), 也開展了輕質(zhì)鋰基底材料方面的研究工作, 成功研制了一種由三維空心球組成的石墨烯基底材料, 有效提高了鋰沉積的動(dòng)力學(xué), 避免了鋰枝晶的產(chǎn)生, 為鋰基底材料的研究開辟了新的途徑[10].

1.3 新型二次電池

近年來, 新型二次電池的研發(fā)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn), 旨在滿足未來對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件安全、環(huán)保、綠色的要求. 本次與會(huì)的許多學(xué)者介紹了該方向的研究進(jìn)展. 二次電池的革新主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面, 即電解液體系的革新和反應(yīng)化學(xué)體系的革新. 前者聚焦在采用水系電解液替代當(dāng)前廣泛使用的有機(jī)系電解液, 這是因?yàn)樗惦娊庖涸诎踩?、環(huán)保、功率性能、成本及制備工藝等方面具有顯著優(yōu)勢(shì). 后者則主要是開發(fā)新型的化學(xué)反應(yīng)體系替代目前的鋰基反應(yīng)體系, 避免未來鋰資源耗盡的問題.

在水系二次電池方面, 錢逸泰院士分析了水系二次電池的問題, 并對(duì)有效的解決策略進(jìn)行了探討, 為設(shè)計(jì)高性能水系二次電池提供了新視角, 同時(shí)也對(duì)其前景作了重要總結(jié). 指出水系二次電池的構(gòu)建需要解決3個(gè)關(guān)鍵問題: (1)拓寬水系電解液的電壓窗口(1.23V), 抑制析氫/吸氧反應(yīng); (2)避免水系電解液對(duì)集流體的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕; (3)選擇與水系電解液具有高度兼容性的電極材料和反應(yīng)體系. 在拓寬電壓窗口方面, 其解決策略主要是在電極表面構(gòu)建電子絕緣、離子導(dǎo)通的固態(tài)電解質(zhì)層, 對(duì)其進(jìn)行有效的保護(hù). 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo), 錢院士開發(fā)了尿素改性的水系電解液, 通過改變陽離子溶劑化殼層的結(jié)構(gòu), 促進(jìn)尿素的分解反應(yīng), 從而在電極表面原位沉積固態(tài)電解質(zhì)層, 將電壓窗口拓寬至3V. 在集流體方面, 錢院士研制了一種由石墨和碳納米管組成的薄膜集流體. 該集流器重量輕、成本低, 且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能. 在電極材料的選擇及反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)方面, 打破了傳統(tǒng)二次電池只采用一種類型陽離子(鋰離子)的局限, 開發(fā)了系列水系混合離子(鋰/鈉離子、鋰/鋅離子)二次電池. 結(jié)果表明, 混合離子電池的設(shè)計(jì)有利于拓寬正、負(fù)電極的選擇范圍, 緩解鋰資源的消耗及增加電解液的電導(dǎo)率. 目前, 基于上述集成化技術(shù)開發(fā)的鋰/鈉混合離子電池的能量密度可以達(dá)到100Wh·kg-1, 成本僅為60美元·kWh-1, 且循環(huán)壽命超過10000次, 具有較大的應(yīng)用潛力[11-13].

在新型化學(xué)反應(yīng)體系方面, 學(xué)者們的研究方向集中于鈉離子電池和鋅離子電池. 鈉離子電池的反應(yīng)機(jī)理與鋰離子電池類似, 即通過鈉離子的插層反應(yīng)儲(chǔ)能, 其優(yōu)勢(shì)在于: (1)金屬鈉的地球儲(chǔ)量豐富; (2)鈉的沉積電位低. 鈉離子電池面臨的主要問題是其較大的離子半徑導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較差, 難以兼容目前的電極材料, 因此需要對(duì)電極材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì). 針對(duì)該問題, 時(shí)志強(qiáng)教授開發(fā)了一種溶劑誘導(dǎo)相分離的方法來生產(chǎn)多通道碳納米纖維材料, 以此作為鈉離子電池的高性能負(fù)極. 該方法可以通過簡(jiǎn)單調(diào)整可溶性聚合物和不溶性碳前驅(qū)體的質(zhì)量比, 從而精確設(shè)計(jì)多孔碳的微觀結(jié)構(gòu). 同時(shí), 以該材料作為模型材料詳細(xì)研究了鈉離子的存儲(chǔ)行為和動(dòng)力學(xué)機(jī)理. 結(jié)果表明, 在碳納米纖維中引入缺陷和孔構(gòu)成的多通道結(jié)構(gòu)可以顯著提高儲(chǔ)鈉反應(yīng)的動(dòng)力學(xué), 從而提高倍率性能. 豐富的超微孔和缺陷可以增加儲(chǔ)鈉的活性位點(diǎn), 而擴(kuò)大晶格的層間距則可以使鈉離子的插入反應(yīng)更加容易. 由該材料構(gòu)建的鈉離子電池可以提供約270Wh·kg-1的能量密度[14]. 其研究結(jié)果不僅為構(gòu)建多通道碳基材料提供了可行策略, 而且還為其他碳基儲(chǔ)鈉材料的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo).

鋅離子電池的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高、離子電導(dǎo)率高, 并且可以采用水系電解液, 因此安全性高、成本低, 是當(dāng)前的研究熱點(diǎn). 鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn)是如何解決金屬鋅負(fù)極的腐蝕和枝晶生長(zhǎng)問題以及正極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢的問題. 康飛宇教授介紹了在解決上述問題上的研究工作. 其發(fā)明了一種表面修飾技術(shù), 在鋅其表面成功構(gòu)建了一個(gè)金屬銦層, 從而有效抑制了劇烈的腐蝕和鋅枝晶的生長(zhǎng). 結(jié)果表明, 該涂層具有雙重功能, 它既可作為緩蝕劑, 又可作為鋅的成核劑. 基于此, 經(jīng)過處理的鋅電極可以在超低電壓(54mV)下維持高達(dá)1500h的循環(huán)周期. 另一方面, 研究了不同金屬氧化物作為鋅離子電池正極的電化學(xué)行為, 成功研制了高性能的釩基、錳基和釕基正極儲(chǔ)鋅材料, 并闡述了相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理及提高策略, 為鋅離子電池正極材料的設(shè)計(jì)策略奠定了良好的基礎(chǔ)[15]. 范紅金教授則從實(shí)用化的角度研究了鋅離子電池的熱失控問題. 發(fā)明了一種富含氯化鋅的吸濕性水凝膠電解液, 利用其離子擴(kuò)散速率隨溫度發(fā)生可逆變化的特性, 實(shí)現(xiàn)了鋅離子電池智能、高效的熱自我保護(hù)[16].

1.4 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件具有超高功率性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能式有軌列車、儲(chǔ)能式無軌列車等城市公共交通領(lǐng)域以及港口機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、軍工等領(lǐng)域. 隨著應(yīng)用范圍的不斷拓寬, 雙電層電容器比較低的能量密度限制了其廣泛應(yīng)用. 因此, 需要深入研究雙電層電容器體系, 開發(fā)新型多孔碳電極材料, 提高超級(jí)電容器的性能.

納米材料的結(jié)構(gòu)及表面狀態(tài)對(duì)器件性能有較大的影響, 李峰研究員在超級(jí)電容用碳材料的孔結(jié)構(gòu)與表面設(shè)計(jì)的研究中取得了系統(tǒng)創(chuàng)新性成果, 發(fā)現(xiàn)了碳材料表面狀態(tài)、孔結(jié)構(gòu)與非碳材料在電化學(xué)過程中的新機(jī)制; 提出了具有普適性的碳材料孔結(jié)構(gòu)新概念、孔結(jié)構(gòu)和碳材料表面結(jié)構(gòu)調(diào)控新方法, 發(fā)明了電化學(xué)電荷注入改變電極材料表面狀態(tài)的方法, 并將其應(yīng)用于多種電化學(xué)儲(chǔ)能體系, 實(shí)現(xiàn)了電極材料的功率密度和能量密度同時(shí)提高, 發(fā)展了智能電化學(xué)儲(chǔ)能器件; 解決了納米材料儲(chǔ)能應(yīng)用的一些關(guān)鍵問題, 研制出寬溫度使用范圍、高能量密度、高功率密度的柔性器件用電極材料及儲(chǔ)能器件[17-18].

多孔碳材料是超級(jí)電容器的核心電極材料, 直接決定儲(chǔ)能性能. 陳成猛研究員以生物質(zhì)、煤炭和高分子等為原料, 開發(fā)出具有高吸附性、快速離子/電子傳輸和表面化學(xué)可調(diào)的低成本多孔碳材料, 研究了有機(jī)前驅(qū)體向無機(jī)碳演變的化學(xué)機(jī)制[19-21], 實(shí)現(xiàn)了形貌、表面和孔結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)與調(diào)控, 探索工藝對(duì)結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律, 建立材料微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能間的構(gòu)效關(guān)系, 明確指標(biāo)體系及工藝控制點(diǎn). 總結(jié)了近幾年不同維度生物質(zhì)衍生多孔碳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其作為超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展[22]. 提出了當(dāng)前生物質(zhì)碳基電極材料在超級(jí)電容器應(yīng)用過程中存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景. 最后, 陳成猛研究員介紹了中科院山西煤化所在淀粉基多孔碳批量化制備方面的進(jìn)展. 開發(fā)了全套工藝, 已建成10t級(jí)電容炭中試線, 完成公斤級(jí)材料用戶評(píng)測(cè), 實(shí)現(xiàn)指標(biāo)定型和工藝固化. 依托自主碳材料設(shè)計(jì)開發(fā)多種超級(jí)電容器, 并在太陽能路燈和游覽車等領(lǐng)域形成應(yīng)用示范.

碳?xì)饽z是一種新型納米碳材料, 具有超高比表面積、合理的孔徑分布、孔結(jié)構(gòu)和易于控制的表面性質(zhì). 與超級(jí)活性炭電極相比, 在很寬的范圍內(nèi)有很高且穩(wěn)定的電導(dǎo)率, 可以克服內(nèi)部接觸電阻大、電解液難以進(jìn)入微孔、比表面積利用不充分等問題. 特別指出的是碳?xì)饽z獨(dú)特的可設(shè)計(jì)能力和可控原料使其具有可替代超級(jí)活性炭的優(yōu)勢(shì). 王朝陽研究員從低成本工業(yè)原料出發(fā), 介紹了有機(jī)碳?xì)饽z的規(guī)?；苽浼夹g(shù), 解決了原料活性和連續(xù)化工藝設(shè)計(jì), 以及噸級(jí)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)問題. 同時(shí)論述了有機(jī)碳?xì)饽z在超級(jí)電容、鋰硫電池、電化學(xué)除鹽、燃料電池催化劑以及電磁屏蔽等方面的應(yīng)用研究.

2 會(huì)議總結(jié)

近些年來儲(chǔ)能技術(shù)研究無論是儲(chǔ)能材料、儲(chǔ)能體系, 還是測(cè)試及應(yīng)用技術(shù)等方面都得到了全面發(fā)展. 在當(dāng)前儲(chǔ)能器件的應(yīng)用需求形勢(shì)下, 關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化日趨重要. 此次會(huì)議的成功召開為鋰離子電池、鋰硫電池、超級(jí)電容器及新型二次電池等相關(guān)前沿技術(shù)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)相關(guān)問題提供了具有重要參考價(jià)值的研究成果.

本次會(huì)議得到了寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)處、寧波大學(xué)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與裝備研究院、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)超級(jí)電容專業(yè)委員會(huì)和寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)的支持.

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2020 international conference on advanced energy materials and devices

Ruan dianbo1, Qiao zhijun2, Wangyuzuo2, Chenxuelong2, Tujianfei1

( 1.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Device Research Institute, Ningbo CRRC new energy technology Co., Ltd., Ningbo 315112, China )

Nearly 400 experts, scholars and graduate students from more than 150 universities and enterprises attended this conference. The conference was mainly focused on advanced energy-storage materials and devices. The corresponding energy-storage systems include lithium ion batteries, lithium-sulfur batteries, supercapacitors and novel secondary batteries, etc. This conference provided a good academic exchange platform and promoted the development of advanced energy-storage materials and devices. Also, it is helpful for researchers to understand the recent progress on industry development trends, market demand and technologies of energy-storage areas. This will play a positive role in promoting the combination of basic research results and practical applications.

electrochemical energy-storage; lithium-ion battery; lithium-sulfur battery; supercapacitor; secondary battery; international conference

TK02; TM919

A

1001-5132（2021）04-0043-06

2021?01?05.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

阮殿波（1969－）, 男, 北京人, 教授, 主要研究方向: 超級(jí)電容器關(guān)鍵材料及其器件工程化. E-mail: ruandianbo@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 韓 超）